linux基礎命令介紹十三：啓動流程

時間 2019-11-05

標籤 linux 基礎命令介紹十三啓動流程欄目 Linux 简体版

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固件(firmware)是指設備最底層的，讓設備得以運行的程序代碼。簡單理解就是：固定在硬件上的軟件。計算機中的許多設備都擁有固件(如硬盤、鼠標、光驅、U盤等)，在計算機啓動過程當中，最早讀取的就是位於主板上的固件，這個固件當前有兩種類型：傳統的BIOS和新的通用性更強的UEFI。linux

在上一篇中，咱們提到另外一種磁盤分區格式GTP也是UEFI標準的一部分。因而，當前計算機啓動中，出現了兩種不一樣的方式：BIOS/MBR和UEFI/GTP。nginx

在linux操做系統的世界中，一樣在經歷着變革，系統初始化軟件sysvinit正逐漸被systemd取代。
本文將主要講述傳統的BIOS/MBR-->sysvinit啓動方式，同時，做爲補充，也將簡述UEFI/GTP-->systemd的啓動方式。redis

BIOS/MBR-->sysvinit

一、BIOS階段

系統加電後會當即讀取BIOS中內容並執行，BIOS中程序的執行包括兩個步驟：shell

1）加電自檢POST(power-on self test)，主要負責檢測系統外圍設備(如CPU、內存、顯卡、鍵盤鼠標等)是否正常。若是硬件出現問題，主板會發出不一樣含義的蜂鳴聲，啓動終止。若是沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。centos

2）自檢完成後，BIOS會執行一段程序來枚舉本地設備(如光盤、U盤、硬盤、網絡等，能夠在BIOS中設置枚舉順序)尋找下一階段的啓動程序所在位置。BIOS會將控制權交給啓動順序(Boot Sequence)中排在第一位的設備，此時，計算機讀取該設備中的最前面的512個字節，若是這512個字節的最後兩個字節是0x55和0xAA(Magic Number)，代表這個設備能夠用於啓動；若是不是，代表該設備不能用於啓動，控制權因而轉交給啓動順序中的下一個設備。如上一篇所述，硬盤中的最前面的512字節即爲主引導記錄 MBR。瀏覽器

二、MBR階段

前一篇中咱們描述過MBR的結構，其中包括446字節的Bootloader，64字節的DPT和2字節的Magic Number。
Bootloader(引導加載程序)中較經常使用的一種是grub，grub引導分爲兩個階段(有些grub還定義了1.5階段)：安全

1）BIOS將stage1載入內存中的指定位置(0x7C00)並跳轉執行，stage1的內容即爲MBR中起始的446字節；此階段執行做用主要是將硬盤0磁頭0磁道2扇區的內容載入到內存0x8000處並跳轉執行。bash

1.5）因爲stage2的代碼(較大)存放在文件系統下的/boot分區中(或者/boot沒有單獨分區的/etc/)，所以識別stage2文件須要文件系統環境(此時還只能直接讀取硬盤指定位置的內容，並不能識別文件系統)。stage1.5的做用就是爲stage2提供文件系統環境，使系統可以找到位於文件系統中的stage2文件。網絡

2）stage2被載入內存並執行，它首先會解析grub的配置文件menu.lst即/boot/grub/grub.conf，該文件中指定了系統內核文件所處的位置，若是沒有找到該文件，就會執行一個shell，等待用戶手動指定內核文件的位置。此階段的最終狀態就是執行boot命令，將內核和initrd鏡像載入內存，進而將控制權交給內核。session

grub.conf內容(版本：GNU GRUB 0.97)：

# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.
#          root (hd0,0)
#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda3
#          initrd /initrd-version.img
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-407.el5)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.18-407.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
        initrd /initrd-2.6.18-407.el5.img
title CentOS (2.6.18-398.el5)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.18-398.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
        initrd /initrd-2.6.18-398.el5.img

文件中#開頭的行是註釋行，最重要的部分是兩個title下面指定的內核位置及具體文件(kernel和initrd項)

三、內核階段

grub的stage2將initrd文件加載到內存中，內核因而開始執行initrd中的init文件，此文件是一個腳本，主要做用是加載各類存儲介質相關的設備驅動程序。當所需的驅動程序加載完成後，會建立一個根設備，而後將根文件系統(rootfs)以只讀的方式掛載。這一步結束後，釋放未使用的內存，轉換到真正的根文件系統中運行程序/sbin/init，啓動系統PID爲1的進程。此後系統的控制權就交給/sbin/init進程了。

四、init階段

當init進程接管了系統的控制權以後，它首先會讀取/etc/inittab文件，此文件描述了在特定的運行級別(runlevel)下，init進程該如何初始化系統。

linux中定義了7種運行級別：
0 表示關機
1 表示單用戶模式
2 表示無網絡的多用戶模式
3 表示多用戶模式
4 未使用
5 表示圖形界面模式
6 表示重啓

inittab文件中指定了系統的默認運行級別，如id:3:initdefault:表示默認運行級別爲3(多用戶模式)。

init進程根據inittab文件，運行一系列指定的初始化腳本：
1）/etc/rc.d/rc.sysinit系統初始化腳本，它的做用包括設置主機名和默認網關、決定是否啓用SELinux、加載用戶自定義模塊、根據文件/etc/sysctl.conf設置內核參數、設置raid及LVM等硬盤功能、從新以讀寫方式掛載根文件系統等等

2）執行/etc/rc.d/rc文件，該文件確認由inittab指定的運行級別N，並啓動相應級別下的服務(經過執行/etc/rc.d/rcN.d中的文件)，例如運行級別爲3時，則先執行/etc/rc.d/rc3.d下以K開頭的文件，而後執行以S開頭的文件。這些文件都是指向/etc/init.d下的符號連接。以K開頭的文件表示此運行級別下須要關閉的服務，以S開頭的文件表示此運行級別下須要開啓的服務。

3）在運行級別二、三、四、5中最後一個執行的文件均指向文件/etc/rc.local,用戶能夠在此文件中自定義啓動內容。

4）以後根據inittab中設置，運行6個終端，以便用戶登陸系統，若是是運行級別5，則還會執行/etc/X11/prefdm -nodaemon啓動相應的桌面環境。

5）而後執行/bin/login程序用於接收和驗證來自mingetty的用戶名和密碼。

至此整個系統即啓動完畢了

UEFI/GTP-->systemd

UEFI的出現是爲了代替BIOS，一樣，GTP和systemd也是爲了彌補MBR和sysvinit的不足。和BIOS只負責POST和找到MBR不一樣，UEFI將貫穿系統加電到關機的整個過程。粗略劃分，UEFI系統啓動分爲4個階段：

一、UEFI初始化階段

1）SEC(安全驗證)：接收並處理系統啓動和重啓信號，初始化臨時存儲區域，傳遞系統參數給下一階段(即PEI)。

2）PEI(EFI前期初始化)：爲DXE準備執行環境，將須要傳遞到DXE的信息組成HOB(Handoff Block)列表，最終將控制權轉交到DXE手中。

3）DXE(驅動執行環境)：根據HOB列表初始化系統服務，而後遍歷固件中的全部Driver，當驅動的依賴資源知足時，調度Dirver到執行隊列執行，直到全部知足條件的Dirver都被加載。

二、操做系統加載器做爲UEFI應用程序運行階段

1）BDS(啓動設備選擇)：初始化控制檯設備，加載必要的設備驅動，根據系統設置加載和執行啓動項，用戶選中某個啓動項（或系統進入默認的啓動項）後，OS Loader啓動，系統進入TSL階段。
UEFI中程序可以識別存儲介質上的分區信息和文件系統(如：fat32)，此時會將/EFI/boot/grub2.efi(位於GTP格式硬盤的一個分區ESP，安裝時自動生成)做爲UEFI應用程序運行。

2）TSL(臨時系統加載)：操做系統加載器(OS Loader也位於ESP分區)執行的第一階段，在這一階段OS Loader做爲一個UEFI應用程序運行，系統資源仍然由UEFI內核控制。當啓動服務的ExitBootServices()服務被調用後，系統進入RT(Run Time)階段。

三、操做系統運行階段

RT(運行時)：系統的控制權從UEFI內核轉交到OS Loader手中，UEFI佔用的各類資源被回收到OS Loader，僅有UEFI運行時服務保留給OS Loader和OS使用。隨着OS Loader的執行，OS最終取得對系統的控制權。
在init做爲系統初始化程序時，服務是經過/etc/rc.d/init.d中的腳原本管理而且是順序執行的，當使用systemd做爲系統初始化程序後，這些腳本被服務單元替換，並儘量的並行啓動進程。

在systemd中，一個單元配置文件能夠描述以下內容之一：

系統服務(.service)
掛載點(.mount)
套接字(.sockets)
系統設備(.device)
交換分區(.swap)
文件路徑(.path)
啓動目標(.target)
由systemd管理的計時器(.timer)
....

systemd爲保持向下兼容性還保留了一些init命令和概念，但所對應的文件都是指向systemd對應命令或文件的符號連接：

[root@centos7 temp]# ls -l /sbin/init 
lrwxrwxrwx. 1 root root 22 1月  15 2016 /sbin/init -> ../lib/systemd/systemd
[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/runlevel*.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

systemd啓動後執行的第一個目標是default.target，但實際上default.target是指向graphical.target的符號連接。

[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/default.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/default.target -> graphical.target
[root@centos7 temp]# cat /usr/lib/systemd/system/graphical.target
#  This file is part of systemd.
#
#  systemd is free software; you can redistribute it and/or modify it
#  under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
#  the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or
#  (at your option) any later version.

[Unit]
Description=Graphical Interface
Documentation=man:systemd.special(7)
Requires=multi-user.target
Wants=display-manager.service
Conflicts=rescue.service rescue.target
After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service
AllowIsolate=yes

其中Requires行指明瞭本單元的依賴關係(其餘各項意義能夠經過命令man systemd.unit查看)，順着此文件，能夠找到須要執行的單元：multi-user.target、basic.target、sysinit.target、local-fs.target swap.target、local-fs-pre.target。

四、關機階段

AL(After-life)：當系統硬件或操做系統出現嚴重錯誤不能繼續正常運行時，固件會嘗試修復錯誤，這時系統進入AL期。UEFI標準並無定義此階段的行爲和規範。系統供應商能夠自行定義。

相關命令

init

一、init
init除了在系統初始化時起的重要做用外，還能夠用來執行關機、重啓、切換運行級別的做用：

#關機
init 0
#重啓
init 6
#切換到單用戶模式
init 1

二、runlevel 顯示運行級別

[root@centos7 temp]# runlevel 
N 3
[root@centos7 temp]#

輸出中N表示當前運行級別，若是系統啓動後切換過運行級別，則輸出相似於3 5表示以前運行級別爲3，如今的運行級別爲5。
三、halt reboot poweroff shutdown
這幾個命令的做用就是關機或重啓系統，一般只使用shutdown就能夠了：

#當即關機
shutdown -h now
#在11:50分執行關機
shutdown -h 11:50
#若是要取消指定時間的關機，則在另外一個終端中執行：
shutdown -c
#過30分鐘以後重啓系統，而且重啓時不進行磁盤檢測
shutdown -fr +30

四、chkconfig 更新或查詢服務的運行級別信息

#列出服務(還會列出xinetd管理的服務)
chkconfig --list
#增長一個服務
chkconfig --add httpd
#使服務在運行級別二、三、5時自啓動
chkconfig --level 235 httpd on

五、service 運行服務腳本(服務腳本位於/etc/init.d內，service自己也是腳本，位於/sbin內)

#列出全部服務狀態
service --status-all
#列出單個服務狀態
service nginx status
#啓動服務
service nginx start
#中止服務
service nginx stop
#重啓服務
service nginx restart
#從新加載配置文件
service nginx reload

systemd

systemd並非一個命令，而是一組命令，涉及到系統管理的方方面面。

一、systemctl 控制systemd系統和管理服務

systemctl [OPTIONS...] COMMAND [NAME...]

如切換運行級別或開關機：

#重啓(將執行reboot.target)
systemctl reboot
#暫停(將執行suspend.target)
systemctl suspend
#休眠(將執行hibernate.target)
systemctl hibernate
#切換至救援模式(單用戶，將執行rescue.target)
systemctl rescue
#列出運行級別
systemctl get-default
#切換到運行級別5，即圖形模式
systemctl isolate graphical.target

系統服務單元相關：

#列出正在運行的 Unit
systemctl list-units
#列出全部的 Unit
systemctl list-units --all
#列出全部加載失敗的 Unit
systemctl list-units --failed
#列出Unit時指定類型
systemctl list-units --type=socket

系統和服務管理：

#系統狀態
systemctl status
#服務狀態(.service能夠省略)
systemctl status nginx.service
#啓動服務
systemctl start nginx
#中止服務
systemctl stop nginx
#重啓服務
systemctl restart nginx
#從新加載配置文件
systemctl reload nginx
#設置服務開機啓動
systemctl enable nginx
#列出全部安裝的服務
systemctl list-unit-files
#指定類型
systemctl list-unit-files --type=target

還有許多其餘選項，這裏就不一一列舉了。

二、systemd-analyze 查看啓動用時

[root@centos7 ~]# systemd-analyze 
Startup finished in 730ms (kernel) + 1.904s (initrd) + 9.909s (userspace) = 12.544s

輸出顯示了系統啓動過程當中各部分耗時

#各服務初始化用時
[root@centos7 ~]# systemd-analyze blame
          5.424s NetworkManager-wait-online.service
          1.830s dev-mapper-centos\x2droot.device
          1.055s firewalld.service
           980ms kdump.service
           549ms network.service
           ....
#輸出各服務用時細節並寫入文件(該文件能夠用瀏覽器或圖片查看器打開)
[root@centos7 ~]# systemd-analyze plot > file.svg
#序列化輸出各服務詳細完整的狀態信息(輸出內容不少，略)
[root@centos7 ~]# systemd-analyze dump

三、systemd-cgls 遞歸顯示控制組(Cgroups)信息
linux內核從版本2.6.24開始，引入了一個叫作控制組(control groups)的特性，是用於限制、記錄、隔離進程組（process groups）所使用的物理資源（如：cpu,memory,IO等等）的機制。關於Cgroups的內容本文再也不展開。

[root@centos7 ~]# systemd-cgls 
├─1 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 21
├─user.slice
│ └─user-0.slice
│   ├─session-182.scope
│   │ ├─5165 sshd: root@pts/1    
│   │ ├─5167 -bash
│   │ ├─5409 systemd-cgls
....
....

四、systemd-cgtop 顯示各控制組的使用量(CPU,內存,IO)
顯示效果相似命令top

[root@centos7 ~]# systemd-cgtop
Path                                                Tasks   %CPU   Memory  Input/s Output/s

/                                                   161    0.2   400.5M        -        -
/system.slice/NetworkManager.service                  1      -        -        -        -
/system.slice/auditd.service                          1      -        -        -        -
/system.slice/crond.service                           1      -        -        -        -
/system.slice/dbus.service                            1      -        -        -        -
/system.slice/firewalld.service                       1      -        -        -        -
....

五、systemd-loginctl 控制systemd登陸管理
此命令是命令loginctl的符號連接

#列出當前會話
[root@centos7 ~]# systemd-loginctl list-sessions
   SESSION        UID USER             SEAT            
       182          0 root                             
       154          0 root                             

2 sessions listed.
#列出當前登陸用戶
[root@centos7 ~]# loginctl list-users
       UID USER            
         0 root            

1 users listed.
#列出顯示指定用戶的信息
[root@centos7 ~]# loginctl show-user root
UID=0
GID=0
Name=root
Timestamp=三 2016-12-21 08:38:54 CST
TimestampMonotonic=77015538361
RuntimePath=/run/user/0
Slice=user-0.slice
Display=154
State=active
Sessions=182 154
IdleHint=no
IdleSinceHint=0
IdleSinceHintMonotonic=0
Linger=no
[root@centos7 ~]#

六、timedatectl 系統時間和日期控制

[root@centos7 ~]# timedatectl 
      Local time: 三 2016-12-21 13:47:31 CST
  Universal time: 三 2016-12-21 05:47:31 UTC
        RTC time: 三 2016-12-21 05:47:31
       Time zone: Asia/Shanghai (CST, +0800)
     NTP enabled: n/a
NTP synchronized: no
 RTC in local TZ: no
      DST active: n/a
#設置時間
[root@centos7 ~]# timedatectl set-time "2012-10-30 18:17:16"
#列出時區
[root@centos7 ~]# timedatectl list-timezones
Africa/Abidjan
Africa/Accra
Africa/Addis_Ababa
Africa/Algiers
Africa/Asmara
....
#設置時區
[root@centos7 ~]# timedatectl set-timezone America/New_York

七、hostnamectl 系統主機名控制

#狀態
[root@centos7 ~]# hostnamectl status
   Static hostname: centos7
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
      Architecture: x86-64
#設置主機名(內核參數/proc/sys/kernel/hostname和文件/etc/hostname中都當即更新)
[root@centos7 ~]# hostnamectl set-hostname MYHOST
#從新登陸後主機名即變爲myhost(靜態主機名)
[root@centos7 ~]# hostnamectl
   Static hostname: myhost
   Pretty hostname: MYHOST
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
      Architecture: x86-64

以上systemd相關全部命令(除systemd-cgls和systemd-cgtop外)，均可以使用選項-H指定遠程基於systemd的主機(使用ssh協議)：

[root@centos7 ~]# hostnamectl -H 10.0.1.252
   Static hostname: idc-v-71252
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 4.4.4-1.el7.elrepo.x86_64
      Architecture: x86-64

systemd功能強大，使用方便，但也比較複雜，體系龐大。本文只介紹一點相關命令，更多內容就不在此展開了。

本文簡述了傳統的BIOS和新的UEFI啓動流程，介紹了init和systemd部分相關命令。