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centos7系统启动流程

2020-02-28 16:05:00来源：博客园阅读 ()

centos7系统启动流程

前提：pc主机，MBR架构

第一步：post（power on system test）加电自检。

pc机的主板上有个rom芯片（CMOS），加电后，cpu去找这个raw，然后读取里面的指令，检测机器上是否有：内存，硬盘，显示设备等。

CMOS里有个bios（basic input output system）程序
第二步：boot sequence（bios里设置是用光盘启动，还是硬盘启动等）

按次序查找引导设备，第一个有引导程序（bootloader）的设备即为本次启动要用到的设备。

bootloader：
- 功能：
  - 找到磁盘上的grub程序，并加载运行之。
  - grub提供一个可以让用户选择的菜单，上面写着，可以选择运行的内核列表
  - 把用户选定的内核程序从磁盘加载到内存的特定空间中，然后解压，展开，此后，内核就开始真正运行起来了，然后bootloader退出，由内核接管一切。
  注意：由于bootloader仅有446字节，它无法读取LVM，软RAID的逻辑分区，只能读取物理分区，所以内核程序只能存放在物理分区上。
- 种类：
  - LILO：linux loader。它有个致命弱点，如果内核在磁盘的1024以后的柱面上存储着的话，它无法加载内核。安卓手机用的是LILO。
  - GRUB：Grand Uniform Bootloader
    
    centos5，6用的版本是：grub 0.x（别名：grub legacy）
    
    cengtos7用的版本是：grub 1.x（别名：grub2）
bootloader程序放在哪里了？

如果是MBR架构，则放在了在0号track（磁道），0号sector（扇区）里的前446bytes 。

由于只有446字节，空间太小了，能写的程序实在有限，所以linux使用GRUB机制。

GRUB机制：不让bootloader直接加载内核，而是让bootloader加载磁盘上的另外一个程序/boot/grub。由于/boot/grub是放在磁盘上的，所以突破了446字节的约束。
- 第一阶段：bootloader加载/boot/grub程序
- 第1.5阶段：filesystem driver？
- 第二阶段：
  - centos5,6：加载/boot/grub下的配置文件
  - centos7：加载/etc/grub.d/， /etc/default/grub， /boot/grub2/grub.cfg
```
# ll /etc/grub.d/
-rwxr-xr-x. 1 root root  8702 Nov  9  2018 00_header
-rwxr-xr-x. 1 root root  1043 Jul  5  2018 00_tuned
-rwxr-xr-x. 1 root root   232 Nov  9  2018 01_users
-rwxr-xr-x. 1 root root 10781 Nov  9  2018 10_linux
-rwxr-xr-x. 1 root root 10275 Nov  9  2018 20_linux_xen
-rwxr-xr-x. 1 root root  2559 Nov  9  2018 20_ppc_terminfo
-rwxr-xr-x. 1 root root 11169 Nov  9  2018 30_os-prober
-rwxr-xr-x. 1 root root   214 Nov  9  2018 40_custom
-rwxr-xr-x. 1 root root   216 Nov  9  2018 41_custom
-rw-r--r--. 1 root root   483 Nov  9  2018 README
# ll /etc/default/grub
-rw-r--r--. 1 root root 279 Nov 29 16:53 /etc/default/grub
# ll /boot/grub2/grub.cfg
-rw-r--r--. 1 root root 4287 Nov 29 16:53 /boot/grub2/grub.cfg
```
第三步：kernel自身初始化
- 探测所以硬件设备
- 为了加载磁盘上的根文件系统，所以先加载ramdisk上的文件系统，找到里面的磁盘驱动程序。
  
  注意：也有可能不使用ramdisk。当自己在自己的机器上编译内核时，编译程序就探测到了本地磁盘类型，所以在编译的时候，就可以把磁盘的驱动，编译到内核里，所以内核就不需要再去找ramdisk了。
- 使用磁盘驱动，以只读方式，加载根文件系统。只读的目的：防止内核有bug，把根文件系统里面的东西删除了。没问题后，再改为读写方式。
- 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
  
  centos5之前的init程序：SysV init
  
  ? 使用的配置文件：/etc/inittab
  
  centos6的init程序：Upstart（ubuntu贡献的，redhat参考ubuntu又修改了一下）
  
  ? 使用的配置文件：/etc/init/*.conf
  
  centos7的init程序：Systemd（redhat参考macOS做的）
  
  ? 使用的配置文件: /usr/lib/systemd/system目录下的文件，和/etc/systemd/system目录下的文件
  - 执行/usr/lib/systemd/system/initrd.target所有单元，挂载/etc/fstab里的分区
  - 从ramdisk根文件系统切换到磁盘根目录
  - 执行/etc/systemd/system/default.target
  - 执行/usr/lib/systemd/system/sysinit.target，及/usr/lib/systemd/system/basic.target
  - systemd启动/usr/lib/systemd/system/multi-user.target里的本机的服务和服务器的服务
  - systemd执行/usr/lib/systemd/system/multi-user.target里的/etc/rc.d/rc.local
  - systemd执行/usr/lib/systemd/system/multi-user.target里的getty.target及登录服务
  - 如果命令systemctl get-default的执行结果是graphical，则执行/usr/lib/systemd/system/graphical.target
第四步：/sbin/init会启动/sbin/mingetty程序，显示可以登录的文本界面。

Systemd的新特性：

并行启动无依赖关系的服务
按需激活服务，不是全启动起来，放在那里浪费资源，用户真正用的时候才启动
可以提供用户空间进程的快照
可以基于依赖关系定义服务控制逻辑

Systemd的核心概念：unit

unit是一个抽象的东西，它由其相关的配置文件进行标识，识别和配置。

配置文件中，主要包含了系统服务，监听的socket，保存的快照，以及其他与init相关的信息。

查看有哪些unit file：

# systemctl list-unit-files -a
UNIT FILE                                     STATE
proc-sys-fs-binfmt_misc.automount             static
dev-hugepages.mount                           static
brandbot.path                                 disabled
cups.path                                     enabled
...

unit配置文件的放置目录：

/usr/lib/systemd/system

每个服务最主要的启动脚本设置，类似于centos5，6里的/ect/init.d/*.conf
/run/systemd/system/

系统执行过程中所产生的服务脚本，比上面目录优先运行
/etc/systemd/system

管理员建立的执行脚本，类似于centos5，6里的/etc/rc.d/rc#.d/S##脚本的功能，比上面目录优先运行。

unit的常见类型：

service：文件扩展名为service，用于定义系统服务的

兼容cenos5，6的命令：service NAME start|stop|status|restart
target：文件扩展名为target，模拟centos5，6里运行级别（rc0.d，rc1.d，rc2.d，rc3.d，rc4.d，rc5.d，rc6.d目录里的K*和S*的所有脚本）.

centos7里没有运行级别的概念，centos5，6是靠运行级别控制的。
device：文件扩展名为device，用于定义内核识别的设备

centos5，6的设备文件是由udev识别的，centos7的设备文件是由udev和systemd识别的。
mount：文件扩展名为mount，用于定义文件系统的挂载点

在centos7直接输入mount命令，会发现很多cgroup的挂载点。cgroup是控制资源分配的，docker就是利用cgroup分配资源，用namespace隔离网络等空间。
socket：文件扩展名为socket，用于标识进程间通信所使用的socket文件。
snapshot：文件扩展名为snapshot，用于管理系统快照的
swap：文件扩展名为swap，用于管理swap设备
automount：文件扩展名为automount，文件系统自动挂载点设置。比如插入U盘，自动识别
path：文件扩展名为path，用于定义文件系统中的文件或目录。

关键特性:

基于socket的激活机制：socket与程序分离。

只是启动socket，来监听端口，但程序并不启动，当监听到请求过来了，则激活程序。
基于bus（总线）的激活机制，如果总线上存在对某个服务的访问，则激活之
基于device(设别)的激活机制，当设备接入后，会自动激活mount，device，automount的unit，这些unit发现设备来了，则创建设备文件，并挂载，如果挂载点不存在，则自动创建挂载点。
基于path的激活机制。用例：当某个服务意外终止后，假如它会创建个文件或目。此path机制就是监视系统里是否生成了这个文件或目录，如果有，则激活某个服务（告诉公司的人，你的服务挂了等）。
系统快照：保存各unit的当前状态于持久设备设备存储中。用于恢复unit到指定时间点。让unit在过去和未来间游走。
向后兼容sysv init脚本：放在/etc/init.d/下的脚本，也可以通过systemd激活。

不兼容的：

systemctl命令是固定不变的，不能像service那样，随意定义命令。
非由systemld启动的服务，systemctl命令则无法与之通信，所以就无法管理之。

管理系统服务：service类型的unit负责管理服务的

systemctl - Control the systemd system and service manager

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

COMMANDS
   Unit Commands
       list-units [PATTERN...]
       list-sockets [PATTERN...]
       list-timers [PATTERN...]
       start PATTERN...
       stop PATTERN...
       restart PATTERN...
       try-restart PATTERN...
       reload-or-restart PATTERN...
       reload-or-try-restart PATTERN...
       kill PATTERN...
       is-active PATTERN...
       is-failed PATTERN...
       status [PATTERN...|PID...]]
       show [PATTERN...|JOB...]
       cat PATTERN...
       reset-failed [PATTERN...]
       list-dependencies [NAME]

对服务的各种操作：service units

启动，停止，重启，查看状态:start|stop|restart|status

centos5,6：service NAME start|stop|restart|status

centos7：systemctl start|stop|restart|status NAME[.service]后面的.service可以省略

# systemctl status crond
● crond.service - Command Scheduler
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/crond.service; enabled; vendor preset: enabled)
   Active: active (running) since Wed 2020-02-26 09:28:20 CST; 5h 49min ago

Loaded：已经装载了。centos5，6则是用chkconfig 命令装载。

enabled：开机自动启动

disabled：开机不会自动启动

InActive/Active：没有启动或启动了。

active(running):一次或多次持续处理的运行

active(exited):成功完成了一次性的配置

active(waiting)：运行中，在等待一个事件

static:开机不启动，但可被另一个启动的服务激活。

例子：telnet-server。

安装它后，发现它有2个unit file。其中的telnet@.service就是static的，

尝试启动telnet@.service，发现不能启动，就说明了static的不能直接启动。

那它怎么启动呢，启动telnet.socket就行，telnet.socket启动后，就变成active (listening)状态了。

使用lsof -i :端口号，可以看到telnet服务是被systemd管理（监管了）。

lsof：list open files

# rpm -ql telnet-server
/usr/lib/systemd/system/telnet.socket
/usr/lib/systemd/system/telnet@.service
# systemctl list-unit-files -a | grep telnet
telnet@.service                               static
telnet.socket                                 disabled
# systemctl start telnet@.service
Failed to start telnet@.service: Unit name telnet@.service is missing the instance name.
See system logs and 'systemctl status telnet@.service' for details
# systemctl is-active telnet.socket
unknown
# systemctl start telnet.socket
# systemctl status telnet.socket
● telnet.socket - Telnet Server Activation Socket
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/telnet.socket; disabled; vendor preset: disabled)
   Active: active (listening) since Fri 2020-02-28 10:21:26 CST; 8min ago
     Docs: man:telnetd(8)
   Listen: [::]:23 (Stream)
 Accepted: 0; Connected: 0
# lsof -i :23
COMMAND PID USER   FD   TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
systemd   1 root   24u  IPv6  64689      0t0  TCP *:telnet (LISTEN)

尝试重启：try-restart PATTERN...：如果服务不是运行状态，则说明也不做。

centos7：
```
# systemctl try-restart httpd
```
centos5,6：一般的服务脚本里都不支持，此功能，但也有支持的
```
# service NAME condrestart
```
重载配置文件或尝试重启:reload-or-try-restart PATTERN...
```
# systemctl reload-or-try-restart httpd
```
重载配置文件或重启:reload-or-restart PATTERN...
```
# systemctl reload-or-restart httpd
```

查看服务是否是激活：

# systemctl is-active httpd
active
# systemctl stop httpd
# systemctl is-active httpd
unknown

列出所有active的service：

# systemctl list-units -t service
UNIT                               LOAD   ACTIVE SUB     DESCRIPTION
abrt-ccpp.service                  loaded active exited  Install ABRT coredump hook
abrt-oops.service                  loaded active running ABRT kernel log watcher

列出所有识别的service：

centos5，6：chkconfig --list
```
# systemctl list-units -t service -a
```
常用的选项：-t和-a

-t：指定unit file的类型

-a：查看全部
禁止手动启动和开机自动启动某service：

centos5,6：chkconfig mySer.sh on

取消禁止手动启动和开机自动启动某service

目的是防止误操作，启动了不应该启动的service

原理就是创建一个符号链接，所以也可以手动创建符号链接实现相同的功能。

# systemctl mask httpd.service
Created symlink from /etc/systemd/system/httpd.service to /dev/null.
# ll /etc/systemd/system/httpd.service
lrwxrwxrwx. 1 root root 9 Feb 27 11:40 /etc/systemd/system/httpd.service -> /dev/null
# systemctl start httpd.service
Failed to start httpd.service: Unit is masked.
# systemctl status httpd.service
● httpd.service
   Loaded: masked (/dev/null; bad)
   Active: inactive (dead)
# systemctl unmask httpd.service
Removed symlink /etc/systemd/system/httpd.service.
# ll /etc/systemd/system/httpd.service
ls: cannot access /etc/systemd/system/httpd.service: No such file or directory

设置开机自动启动：

查看某个服务是否是开机自动启动：systemctl is-enabled httpd.service

centos5,6：chkconfig --list NAME

原理就是创建一个符号链接，所以也可以手动创建符号链接实现相同的功能。

# ll /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ | grep httpd
# systemctl is-enabled httpd.service
disabled
# systemctl enable httpd.service
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service to /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
# ll /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ | grep httpd
lrwxrwxrwx. 1 root root 37 Feb 27 11:54 httpd.service -> /usr/lib/systemd/system/httpd.service
# systemctl is-enabled httpd.service
enabled

目录/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/下的服务就是开机自动启动的。

查看某个服务依赖了哪些服务：

# systemctl list-dependencies httpd
httpd.service
● ├─-.mount
● ├─system.slice
● └─basic.target
●   ├─microcode.service
●   ├─rhel-dmesg.service

杀死服务，后面是进程的名字，而不是pid，类似，killall命令。
```
# systemctl kill httpd
```

对运行级别的各种操作：target units

unit配置文件：

# ls /usr/lib/systemd/system/*.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  15 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  13 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  16 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  13 Nov 29 16:46 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target
# systemctl list-unit-files -t target -a
UNIT FILE                  STATE
anaconda.target            static
basic.target               static
bluetooth.target           static
cryptsetup-pre.target      static
cryptsetup.target          static
ctrl-alt-del.target        disabled
default.target             enabled
...

centos5,6里的运行级别是符号链接，指向了别的unit

centos5，6里的运行级别	centos7里的unit file
0	runlevel0.target ->poweroff.target
1	runlevel1.target ->rescue.target
2	runlevel2.target ->multi-user.target
3	runlevel3.target ->multi-user.target
4	runlevel4.target ->multi-user.target
5	runlevel5.target ->graphical.target
6	runlevel6.target ->reboot.target

centos5，6里的运行级别是各管各的，centos7里的target可以使用别的target

# systemctl list-dependencies graphical.target
graphical.target
● ├─accounts-daemon.service
● ├─gdm.service
● ├─initial-setup-reconfiguration.service
● ├─network.service
● ├─rtkit-daemon.service
● ├─systemd-readahead-collect.service
● ├─systemd-readahead-replay.service
● ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
● ├─udisks2.service
● └─multi-user.target

发现graphical.target是依赖multi-user.target的，也就是graphical.target复用了multi-user.target。

centos5，6要想复用就很麻烦，要手动把脚本拷贝到别的运行级别的目录里。

切换运行级别：

centos5，6：init N

centos7：systemctl isolate NAME.target

who -r和runlevel和init N命令依然在centos7里可以使用。

# who -r
         run-level 5  2020-02-28 09:07
# runlevel
N 5
# systemctl isolate multi-user.target
# who -r
         run-level 3  2020-02-28 11:18                   last=5
# runlevel
5 3
# systemctl isolate graphical.target
# runlevel
3 5
# who -r
         run-level 5  2020-02-28 11:18                   last=3

可以切换的前提条件：NAME.target文件里的AllowIsolate的值必须是yes才可以。

[Unit]
Description=Multi-User System
Documentation=man:systemd.special(7)
Requires=basic.target
Conflicts=rescue.service rescue.target
After=basic.target rescue.service rescue.target
AllowIsolate=yes

修改unit file后，必须使用systemctl daemon-reload命令后，才能生效。

修改成AllowIsolate=no
# emacs /usr/lib/systemd/system/multi-user.target
# tail -1 /usr/lib/systemd/system/multi-user.target
AllowIsolate=no
由于没有运行systemctl daemon-reload命令，所以运行systemctl isolate multi-user.target没有效果，但是会提示你要运行systemctl daemon-reload命令
# systemctl isolate multi-user.target
Warning: multi-user.target changed on disk. Run 'systemctl daemon-reload' to reload units.
让修改生效
# systemctl daemon-reload
修改已经生效了，所以切换就不成功了。原因是AllowIsolate=no
# systemctl isolate multi-user.target
Failed to start multi-user.target: Operation refused, unit may not be isolated.
See system logs and 'systemctl status multi-user.target' for details.

查看开机时使用的什么target
```
# systemctl get-default
graphical.target
```
centos5,6是查看/etc/inittab，centos5里有很多行，centos6只有一行id:3:initdefault:

设置开机时使用什么target

原理：创建符号链接指向要使用的target

/etc/systemd/system/default.target符号链接，指向的是哪个，就使用哪个。所以每次都是先删除它，再建立一个新的。

# systemctl set-default multi-user.target
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.
# systemctl set-default graphical.target
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/graphical.target.

切换到救援模式：systemctl rescue

centos7在启动时，就可以进入救援模式。加载设备驱动。

centos5，6必须借助光盘才能进入救援模式。
切换到更底层的救援模式：systemctl emergency

设备驱动都不加载。如果因为设备驱动坏了导致不能开机，则不许使用此模式修复。
其他常用命令：

原理centos6里的init,poweroff,halt,reboot都成为了systemctl的符号链接
```
# ll /usr/sbin/reboot
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 Nov 29 16:46 /usr/sbin/reboot -> ../bin/systemctl
# ll /usr/sbin/poweroff
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 Nov 29 16:46 /usr/sbin/poweroff -> ../bin/systemctl
```
- 关机：systemctl halt，systemctl poweroff
- 重启：systemctl reboot
- 挂起：systemctl suspend
- 快照：systemctl hibernate
- 快照并挂起：systemctl hybrid-sleep

通过内核参数，临时修改内核启动选项

开机时，在选择的内核上按e键，进入grub2的配置，然后在linux16行的最后，添加内核启动选择:

systemd.unit=rescue.target（直接进入救援模式）
systemd.unit=emergency.target（直接进入救援模式）
systemd.unit=multi-user.target（直接进入多用户的文本模式）

编写unit file

/usr/lib/systemd/system/httpd.service内容如下：

# cat /usr/lib/systemd/system/httpd.service
[Unit]
Description=The Apache HTTP Server
After=network.target remote-fs.target nss-lookup.target
Documentation=man:httpd(8)
Documentation=man:apachectl(8)

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=/etc/sysconfig/httpd
ExecStart=/usr/sbin/httpd $OPTIONS -DFOREGROUND
ExecReload=/usr/sbin/httpd $OPTIONS -k graceful
ExecStop=/bin/kill -WINCH ${MAINPID}
# We want systemd to give httpd some time to finish gracefully, but still want
# it to kill httpd after TimeoutStopSec if something went wrong during the
# graceful stop. Normally, Systemd sends SIGTERM signal right after the
# ExecStop, which would kill httpd. We are sending useless SIGCONT here to give
# httpd time to finish.
KillSignal=SIGCONT
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

unit file 通常由3部分组成
- [Unit]：通用选项。
  - Description：提供描述信息（在systemctl status里显示的信息）
  - After：在此服务启动后，本服务启动
- [Name]：与特定类型相关的专用选项，如果是.service则此处是Service
- [Install]：定义由systemctl enable和systemctl disable命令，在服务启用或禁用时用到的一些选项。
以#开头的行是注释
相关布尔值

1，yes，on，true都是开启

2，0，off，no，false都是关闭
时间默认单位是秒，毫秒：ms，分钟：m等必须显示加上单位
详细信息参考阮一峰的日志：http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/03/systemd-tutorial-part-two.html