13.1 CentOS系统启动流程介绍

CentOS系统启动流程介绍

本章我们将学习 Linux 启动流程和内核模块管理相关的内容。通过本章我们将学习如下内容:

1. Linux 系统的组成及特点
2. CentOS 系统的启动流程
3. 开机启动成 grub 的配置和使用
4. 内核功能与内核模块的加载与使用

在学习本章内容之前，需要对之前学习的操作系统知识做一个简单梳理总结，目的是了解 Linux 系统在启动时面临了哪些问题，怎么去解决这些问题。这样我们才能知道为什么启动流程是”这样”。

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-------------- | 库调用接口 | --------------- | 系统调用接口 | ------------------------------- | 操 作 系 统 | ------------------------------- | 底 层 硬 件 | -------------------------------

在一个已经开机的计算机上，操作系统位于底层硬件之上，通过加载硬件的驱动程序从而能够管理各种硬件设备。操作系统通过系统调用，将管理底层硬件的接口暴露给各应用程序。应用程序在需要时发起系统调用即可完成对底层硬件的驱动。系统调用接口比较简陋，不便于程序员进行编程，因此在系统调用基础上有各种库，方便程序员进行编程。

操作系统=内核+根文件系统，Linux 中一切皆文件，Linux 的所有设备都表现为根文件系统上的某个文件。因此内核必需首先要加载底层磁盘设备的驱动程序，然后加载该磁盘设备上特定的文件系统，最后挂载根文件系统。

但是在系统启动之前，操作系统和各种驱动程序都是存放在硬盘上的。这样就会出现以下问题:

1. 为加载内核需要读取磁盘中的内核源码，而读取磁盘文件需要先挂载根文件系统，此时操作系统还没有更不可能挂在根文件系统了
2. 挂载根文件系统时，首先需要加载磁盘和文件系统的驱动程序。而文件系统还没有挂载，根本没法读取到位于根文件系统中的驱动程序

因此开机启动，必需要解决上述两个问题。

本节，我们开始学习 Centos 系统的启动流程，本章开篇我们了解到，开机过程中存在两个问题:

1. 为加载内核需要读取磁盘中的内核源码，而读取磁盘文件需要先挂载根文件系统，此时操作系统还没有更不可能挂在根文件系统了
2. 挂载根文件系统时，首先需要加载磁盘和文件系统的驱动程序。而文件系统还没有挂载，根本没法读取到位于根文件系统中的驱动程序

本节核心就是讲解如何解决上述两个问题，并在此基础上介绍 Linux 系统的启动。本节将包括以下内容:

1. Linux 系统特性，包括Linux 系统的功能及设计思路
2. Linux 开机启动流程，包括:
   • Linux 系统组成，Linux 为开机启动准备的额外文件
   • Linux 系统详细启动过程

1. Linux 系统特性

Linux 主要由内核+根文件系统组成，一个运行中的Linux，可以看作是运行在内核之上，由内核负责完成底层硬件管理，从而将硬件接口抽象为系统接口以后，让根文件系统工作为文件系统的一个底层虚拟机。运行中的OS可以分为内核空间和用户空间两个部分，应用程序运行在用户空间，通常表现为一个进程或线程；而内核空间主要运行内核代码，执行特权操作，通过系统调用向用户空间输出接口。用户空间通过发起系统调用执行特权操作。

Linux 需要实现的功能包括:

1. 进程管理，进程创建，调度，销毁
2. 内存管理，将内存抽象为虚拟的线性地址格式，为每个进程提供一份，就好像每个进程单独运行在操作系统之上一样
3. IPC 机制:
   • 消息队列
   • semerphor 信号量
   • share memory 共享内存
4. 网络协议栈
5. 文件系统
6. 驱动程序 《Linux 设备驱动》
7. 安全功能

内核设计有两种流派

1. 单内核设计：把所有功能集成于同一个程序，典型代表为 Linux
2. 微内核设计：每种功能使用一个单独的子系统实现，典型代表为 Windows, Solaris

Linux 虽然为单内核设计但是充分吸收了微内核的特点，支持模块化(.ko (kernel object))，支持模块运行时动态装载或卸载。

1. Linux 系统启动流程

1.1 Linux 系统的组成

首先我们来解决开机启动的第二个问题。
内核加载根文件系统需要加载驱动程序，而驱动程序就在根之上。因此我们不能依赖根文件系统上的驱动程序，内核必须自带驱动程序。

一种方法是将设备的驱动程序编译进内核，对于个人用户自编译的系统没有有问题，因为只需要将其特定的驱动程序编译进内核即可，然后对于操作系统发行商而然，它面对的是各种用户的不同驱动设备，如果都将这些驱动程序编译进内核，内核将庞大无比，而每个用户又只会用到其中一个。

另一种方法是借助于中间临时根文件系统，中间临时根文件系统包含了加载根文件系统所在设备的驱动程序，而中间根文件系统放置在一个基于内存的磁盘设备中，内核无须加载其他驱动程序即可访问该设备。内核启动后，先访问基本设备挂载中间的临时根文件系统，并从中装载设备驱动程序，在真正的根文件系统准备完成之后，从临时根切换到真正的根。

用于系统初始化的基于内存的磁盘设备通常称为 ramdisk，内核在启动过程中需要将 ranmdisk 装载进内存 ，并将其识别为一个根文件系统。ramdisk 并不是发行商预先生成，而是在系统安装过程中针对当前设备临时生成了，因此其仅需包含当前设备的驱动程序即可。

因此从编译完成后的视角，Linux 系统由如下部分组成:

1. 核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release
2. ramdisk：
   • CentOS 5：/boot/initrd-VERSION-release.img # 基于 ram 的磁盘
   • CentOS 6,7：/boot/initramfs-VERSION-release.img # 基于 ram 的文件系统
3. 模块文件：
   • /lib/modules/VERSION-release
   • 如果内核提供了多个版本，将会有多个内核目录

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> uname -r # 内核版本 4.9.86-30.el7.x86_64 > ls /boot/|grep vm vmlinuz-4.9.86-30.el7.x86_64 > ls /lib/modules/$(uname -r)/kernel arch crypto drivers fs lib mm net sound virt > tree -L 2 /lib/modules/$(uname -r) /lib/modules/4.9.86-30.el7.x86_64 ├── build -> ../../../usr/src/kernels/4.9.86-30.el7.x86_64 ├── extra ├── kernel │   ├── arch │   ├── crypto │   ├── drivers │   ├── fs │   ├── lib │   ├── mm │   ├── net │   ├── sound │   └── virt ├── modules.alias ├── modules.alias.bin ├── modules.block ├── modules.builtin ├── modules.builtin.bin ├── modules.dep ├── modules.dep.bin ├── modules.devname ├── modules.drm ├── modules.modesetting ├── modules.networking ├── modules.order ├── modules.softdep ├── modules.symbols ├── modules.symbols.bin ├── source -> build ├── updates ├── vdso │   ├── vdso32.so │   └── vdso64.so └── weak-updates

1.2 MBR 与 BootSector

接下来我们来解决第一个问题，在没有根文件系统的前提下将内核加载进内存。
可引导设备的第一个分区叫MBR，MBR 中包含了开机引导程序 BootLoader。开机启动时会先加载 MBR内的BootLoader，由BootLoader 将内核加载到内存。有人可能会问，开机时是如何读取到MBR的，BootLoader又是如何读取到内核文件的。BIOS 通过硬件的 INT 13 中断功能来读取 MBR，也就是说，只要 BIOS 能够侦测的到你的磁盘 （不论磁盘是 SATA 还是 SAS ），那他就有办法通过 INT 13 这条信道来读取该磁盘的第一个扇区内的 MBR 软件，这样 boot loader 也就能够被执行。boot loader 能够识别操作系统的文件格式，也就能加载核心文件。其他分区的第一个扇区叫做 boot sector，也可以安装BootLoader，这样可以实现多系统安装。

有了上述阐述，我们就可以开始讲解开机启动流程了。

1.2 Centos 系统的启动流程(MBR 架构)

启动流程:

1. POST: 加电自检。
   • x86 架构的计算机被设计成，只要通电就会去执行，主板上有个 ROM 芯片内的BOIS程序
   • 通过 BIOS 程序去载入 CMOS 的信息，并且借由 CMOS 内的设置值取得主机的各项硬件参数及设置，例如硬盘的大小与类型
   • 在获取硬件信息后，BIOS 会进行开机自我测试 (Power-on Self Test, POST) ，然后开始执行硬件侦测的初始化，并设置 PnP 设 备，之后再定义出可开机的设备顺序，接下来就会开始进行开机设备的数据读取
2. Boot Sequence:开机启动次序
   • 家电自检完成后，计算机就会按次序查找各引导设备，第一个有引导程序的设备即为本次启动用到的设备。
   • 引导程序称为 BootLoader，又称引导加载器。
   • 如果是通过U盘安装操作系统，就需要进入 BIOS 设置系统的开机启动次序
3. bootloader：引导加载器，程序，位于MBR中；
   • 功能：
     • 提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或不同的内核版本；
     • 把用户选定的内核装载到RAM中的特定空间中，解压、展开，而后把系统控制权移交给内核
   • Windows：ntloader
   • Linux：
     • LILO：LIinux LOader
     • GRUB：Grand Uniform Bootloader
       • GRUB 0.X：Grub Legacy
       • GRUB 1.X：Grub2
   • MBR/GRUB:
     • MBR：Master Boot Record，512bytes：
       • 446bytes：bootloader
       • 64bytes：fat, 磁盘分区表
       • 2bytes：55AA
     • GRUB：两阶段加载
       • bootloader：1st stage
       • Partition：filesystem driver, 1.5 stage
       • Partition：/boot/grub, 2nd stage
4. Kernel:
   • 自身初始化：
     • 探测可识别到的所有硬件设备；
     • 加载硬件驱动程序；（有可能会借助于ramdisk加载驱动）
     • 以只读方式挂载根文件系统；
     • 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
   • 执行 init 程序：
     • CentOS 5：SysV init
       • 配置文件：/etc/inittab
     • CentOS 6：Upstart
       • init 的升级版，可以并行启动
       • 配置文件:
         • /etc/inittab: 为向前兼容，基本没哟使用
         • /etc/init/*.conf
     • CentOS 7：Systemd
       • 配置文件：
         • /usr/lib/systemd/system/
         • /etc/systemd/system/
   • ramdisk：
     • Linux内核的特性之一：使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问；
     • 升级: ramdisk –> ramfs
     • 生成工具:
       • CentOS 5: initrd – mkinitrd
       • CentOS 6,7: initramfs – dracut, mkinitrd

1.3 总结:系统初始化流程（内核级别）

1. POST自检，
2. 按照BootSequence(BIOS)查找能开机启动的设备
3. 在设备的 MBR上加载 BootLoader，BootLoader 去磁盘分区上读取内核。
4. Kernel可能会借助于 ramdisk 加载真正根文件系统所在设备的驱动程序
5. 内核装载 rootfs（readonly，并执行开机启动程序 /sbin/init

需要说明的是无论是下述的 ramdisk 还是 BootLoader 都是在安装操作系统时针对当前硬件生成的。所以 BootLoader 是能够识别当前主机的硬盘设备的。但是需要注意的是BootLoader 是需要和磁盘分区打交道的，而BootLoader 本身一般是无法驱动那些软设备，逻辑设备(LVM),也无法驱动RAID这些复杂的逻辑结构，因此内核只能放在基本的磁盘分区上。