Linux基础命令介绍十三:启动流程

固件(firmware)是指设备最底层的,让设备得以运行的程序代码。简单理解就是:固定在硬件上的软件。计算机中的许多设备都拥有固件(如硬盘、鼠标、光驱、U盘等),在计算机启动过程中,最先读取的就是位于主板上的固件,这个固件当前有两种类型:传统的BIOS和新的通用性更强的UEFI。

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在上一篇中,我们提到另一种磁盘分区格式GTP也是UEFI标准的一部分。于是,当前计算机启动中,出现了两种不同的方式:BIOS/MBR和UEFI/GTP。

在linux操作系统的世界中,同样在经历着变革,系统初始化软件sysvinit正逐渐被systemd取代。

本文将主要讲述传统的BIOS/MBR–>sysvinit启动方式,同时,作为补充,也将简述UEFI/GTP–>systemd的启动方式。

BIOS/MBR–>sysvinit

1、BIOS阶段

系统加电后会立即读取BIOS中内容并执行,BIOS中程序的执行包括两个步骤:

1)加电自检POST(power-on self test),主要负责检测系统外围设备(如CPU、内存、显卡、键盘鼠标等)是否正常。如果硬件出现问题,主板会发出不同含义的蜂鸣声,启动终止。如果没有问题,屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

2)自检完成后,BIOS会执行一段程序来枚举本地设备(如光盘、U盘、硬盘、网络等,可以在BIOS中设置枚举顺序)寻找下一阶段的启动程序所在位置。BIOS会将控制权交给启动顺序(Boot Sequence)中排在第一位的设备,此时,计算机读取该设备中的最前面的512个字节,如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA(Magic Number),表明这个设备可以用于启动;如果不是,表明该设备不能用于启动,控制权于是转交给启动顺序中的下一个设备。如上一篇所述,硬盘中的最前面的512字节即为主引导记录 MBR。

2、MBR阶段

前一篇中我们描述过MBR的结构,其中包括446字节的Bootloader,64字节的DPT和2字节的Magic Number。

Bootloader(引导加载程序)中较常用的一种是grub,grub引导分为两个阶段(有些grub还定义了1.5阶段):

1)BIOS将stage1载入内存中的指定位置(0x7C00)并跳转执行,stage1的内容即为MBR中起始的446字节;此阶段执行作用主要是将硬盘0磁头0磁道2扇区的内容载入到内存0x8000处并跳转执行。

1.5)由于stage2的代码(较大)存放在文件系统下的/boot分区中(或者/boot没有单独分区的/etc/),因此识别stage2文件需要文件系统环境(此时还只能直接读取硬盘指定位置的内容,并不能识别文件系统)。stage1.5的作用就是为stage2提供文件系统环境,使系统能够找到位于文件系统中的stage2文件。

2)stage2被载入内存并执行,它首先会解析grub的配置文件menu.lst即/boot/grub/grub.conf,该文件中指定了系统内核文件所处的位置,如果没有找到该文件,就会执行一个shell,等待用户手动指定内核文件的位置。此阶段的最终状态就是执行boot命令,将内核和initrd镜像载入内存,进而将控制权交给内核。

grub.conf内容(版本:GNU GRUB 0.97):

  1. # grub.conf generated by anaconda
  2. #
  3. # Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
  4. # NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
  5. #          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.
  6. #          root (hd0,0)
  7. #          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda3
  8. #          initrd /initrd-version.img
  9. #boot=/dev/sda
  10. default=0
  11. timeout=5
  12. splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
  13. hiddenmenu
  14. title CentOS (2.6.18-407.el5)
  15.         root (hd0,0)
  16.         kernel /vmlinuz-2.6.18-407.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
  17.         initrd /initrd-2.6.18-407.el5.img
  18. title CentOS (2.6.18-398.el5)
  19.         root (hd0,0)
  20.         kernel /vmlinuz-2.6.18-398.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
  21.         initrd /initrd-2.6.18-398.el5.img

文件中#开头的行是注释行,最重要的部分是两个title下面指定的内核位置及具体文件(kernel和initrd项)

3、内核阶段

grub的stage2将initrd文件加载到内存中,内核于是开始执行initrd中的init文件,此文件是一个脚本,主要作用是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完成后,会创建一个根设备,然后将根文件系统(rootfs)以只读的方式挂载。这一步结束后,释放未使用的内存,转换到真正的根文件系统中运行程序/sbin/init,启动系统PID为1的进程。此后系统的控制权就交给/sbin/init进程了。

4、init阶段

当init进程接管了系统的控制权之后,它首先会读取/etc/inittab文件,此文件描述了在特定的运行级别(runlevel)下,init进程该如何初始化系统。

  1. linux中定义了7种运行级别:
  2. 0 表示关机
  3. 1 表示单用户模式
  4. 2 表示无网络的多用户模式
  5. 3 表示多用户模式
  6. 4 未使用
  7. 5 表示图形界面模式
  8. 6 表示重启

inittab文件中指定了系统的默认运行级别,如id:3:initdefault:表示默认运行级别为3(多用户模式)。

init进程根据inittab文件,运行一系列指定的初始化脚本:

1)/etc/rc.d/rc.sysinit系统初始化脚本,它的作用包括设置主机名和默认网关、决定是否启用SELinux、加载用户自定义模块、根据文件/etc/sysctl.conf设置内核参数、设置raid及LVM等硬盘功能、重新以读写方式挂载根文件系统等等

2)执行/etc/rc.d/rc文件,该文件确认由inittab指定的运行级别N,并启动相应级别下的服务(通过执行/etc/rc.d/rcN.d中的文件),例如运行级别为3时,则先执行/etc/rc.d/rc3.d下以K开头的文件,然后执行以S开头的文件。这些文件都是指向/etc/init.d下的符号链接。以K开头的文件表示此运行级别下需要关闭的服务,以S开头的文件表示此运行级别下需要开启的服务。

3)在运行级别2、3、4、5中最后一个执行的文件均指向文件/etc/rc.local,用户可以在此文件中自定义启动内容。

4)之后根据inittab中设置,运行6个终端,以便用户登录系统,如果是运行级别5,则还会执行/etc/X11/prefdm -nodaemon启动相应的桌面环境。

5)然后执行/bin/login程序用于接收和验证来自mingetty的用户名和密码。

至此整个系统即启动完毕了

UEFI/GTP–>systemd

UEFI的出现是为了代替BIOS,同样,GTP和systemd也是为了弥补MBR和sysvinit的不足。和BIOS只负责POST和找到MBR不同,UEFI将贯穿系统加电到关机的整个过程。粗略划分,UEFI系统启动分为4个阶段:

1、UEFI初始化阶段

1)SEC(安全验证):接收并处理系统启动和重启信号,初始化临时存储区域,传递系统参数给下一阶段(即PEI)。

2)PEI(EFI前期初始化):为DXE准备执行环境,将需要传递到DXE的信息组成HOB(Handoff Block)列表,最终将控制权转交到DXE手中。

3)DXE(驱动执行环境):根据HOB列表初始化系统服务,然后遍历固件中的所有Driver,当驱动的依赖资源满足时,调度Dirver到执行队列执行,直到所有满足条件的Dirver都被加载。

2、操作系统加载器作为UEFI应用程序运行阶段

1)BDS(启动设备选择):初始化控制台设备,加载必要的设备驱动,根据系统设置加载和执行启动项,用户选中某个启动项(或系统进入默认的启动项)后,OS Loader启动,系统进入TSL阶段。

UEFI中程序能够识别存储介质上的分区信息和文件系统(如:fat32),此时会将/EFI/boot/grub2.efi(位于GTP格式硬盘的一个分区ESP,安装时自动生成)作为UEFI应用程序运行。

2)TSL(临时系统加载):操作系统加载器(OS Loader也位于ESP分区)执行的第一阶段,在这一阶段OS Loader作为一个UEFI应用程序运行,系统资源仍然由UEFI内核控制。当启动服务的ExitBootServices()服务被调用后,系统进入RT(Run Time)阶段。

3、操作系统运行阶段

RT(运行时):系统的控制权从UEFI内核转交到OS Loader手中,UEFI占用的各种资源被回收到OS Loader,仅有UEFI运行时服务保留给OS Loader和OS使用。随着OS Loader的执行,OS最终取得对系统的控制权。

在init作为系统初始化程序时,服务是通过/etc/rc.d/init.d中的脚本来管理并且是顺序执行的,当使用systemd作为系统初始化程序后,这些脚本被服务单元替换,并尽可能的并行启动进程。

在systemd中,一个单元配置文件可以描述如下内容之一:

  1. 系统服务(.service)
  2. 挂载点(.mount)
  3. 套接字(.sockets)
  4. 系统设备(.device)
  5. 交换分区(.swap)
  6. 文件路径(.path)
  7. 启动目标(.target)
  8. 由systemd管理的计时器(.timer)
  9. ….

systemd为保持向下兼容性还保留了一些init命令和概念,但所对应的文件都是指向systemd对应命令或文件的符号链接:

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

systemd启动后执行的第一个目标是default.target,但实际上default.target是指向graphical.target的符号链接。

  1. [root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/default.target
  2. lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/default.target -> graphical.target
  3. [root@centos7 temp]# cat /usr/lib/systemd/system/graphical.target
  4. #  This file is part of systemd.
  5. #
  6. #  systemd is free software; you can redistribute it and/or modify it
  7. #  under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
  8. #  the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or
  9. #  (at your optionany later version.
  10. [Unit]
  11. Description=Graphical Interface
  12. Documentation=man:systemd.special(7)
  13. Requires=multi-user.target
  14. Wants=display-manager.service
  15. Conflicts=rescue.service rescue.target
  16. After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service
  17. AllowIsolate=yes

其中Requires行指明了本单元的依赖关系(其他各项意义可以通过命令man systemd.unit查看),顺着此文件,可以找到需要执行的单元:multi-user.target、basic.target、sysinit.target、local-fs.target swap.target、local-fs-pre.target。

4、关机阶段

AL(After-life):当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时,固件会尝试修复错误,这时系统进入AL期。UEFI标准并没有定义此阶段的行为和规范。系统供应商可以自行定义。

相关命令

init

1、init

init除了在系统初始化时起的重要作用外,还可以用来执行关机、重启、切换运行级别的作用:

  1. #关机
  2. init 0
  3. #重启
  4. init 6
  5. #切换到单用户模式
  6. init 1

2、runlevel 显示运行级别

  1. [root@centos7 temp]# runlevel
  2. N 3
  3. [root@centos7 temp]#

输出中N表示当前运行级别,如果系统启动后切换过运行级别,则输出类似于3 5表示之前运行级别为3,现在的运行级别为5。

3、halt reboot poweroff shutdown

  1. #立即关机
  2. shutdown -h now
  3. #在11:50分执行关机
  4. shutdown -h 11:50
  5. #如果要取消指定时间的关机,则在另一个终端中执行:
  6. shutdown -c
  7. #过30分钟之后重启系统,并且重启时不进行磁盘检测
  8. shutdown -fr +30

4、chkconfig 更新或查询服务的运行级别信息

  1. #列出服务(还会列出xinetd管理的服务)
  2. chkconfig –list
  3. #增加一个服务
  4. chkconfig –add httpd
  5. #使服务在运行级别2、3、5时自启动
  6. chkconfig –level 235 httpd on

5、service 运行服务脚本(服务脚本位于/etc/init.d内,service本身也是脚本,位于/sbin内)

  1. #列出所有服务状态
  2. service –status-all
  3. #列出单个服务状态
  4. service nginx status
  5. #启动服务
  6. service nginx start
  7. #停止服务
  8. service nginx stop
  9. #重启服务
  10. service nginx restart
  11. #重新加载配置文件
  12. service nginx reload

systemd

systemd并不是一个命令,而是一组命令,涉及到系统管理的方方面面。

1、systemctl 控制systemd系统和管理服务

  1. systemctl [OPTIONS…] COMMAND [NAME…]

如切换运行级别或开关机:

  1. #重启(将执行reboot.target)
  2. systemctl reboot
  3. #暂停(将执行suspend.target)
  4. systemctl suspend
  5. #休眠(将执行hibernate.target)
  6. systemctl hibernate
  7. #切换至救援模式(单用户,将执行rescue.target)
  8. systemctl rescue
  9. #列出运行级别
  10. systemctl get-default
  11. #切换到运行级别5,即图形模式
  12. systemctl isolate graphical.target

系统服务单元相关:

  1. #列出正在运行的 Unit
  2. systemctl list-units
  3. #列出所有的 Unit
  4. systemctl list-units –all
  5. #列出所有加载失败的 Unit
  6. systemctl list-units –failed
  7. #列出Unit时指定类型
  8. systemctl list-units –type=socket

系统和服务管理:

  1. #系统状态
  2. systemctl status
  3. #服务状态(.service可以省略)
  4. systemctl status nginx.service
  5. #启动服务
  6. systemctl start nginx
  7. #停止服务
  8. systemctl stop nginx
  9. #重启服务
  10. systemctl restart nginx
  11. #重新加载配置文件
  12. systemctl reload nginx
  13. #设置服务开机启动
  14. systemctl enable nginx
  15. #列出所有安装的服务
  16. systemctl list-unit-files
  17. #指定类型
  18. systemctl list-unit-files –type=target

还有许多其他选项,这里就不一一列举了。

2、systemd-analyze 查看启动用时

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

输出显示了系统启动过程中各部分耗时

  1. #各服务初始化用时
  2. [root@centos7 ~]# systemd-analyze blame
  3.           5.424s NetworkManager-wait-online.service
  4.           1.830s dev-mapper-centos\x2droot.device
  5.           1.055s firewalld.service
  6.            980ms kdump.service
  7.            549ms network.service
  8.            ….
  9. #输出各服务用时细节并写入文件(该文件可以用浏览器或图片查看器打开)
  10. [root@centos7 ~]# systemd-analyze plot > file.svg
  11. #序列化输出各服务详细完整的状态信息(输出内容很多,略)
  12. [root@centos7 ~]# systemd-analyze dump

3、systemd-cgls 递归显示控制组(Cgroups)信息

linux内核从版本2.6.24开始,引入了一个叫做控制组(control groups)的特性,是用于限制、记录、隔离进程组(process groups)所使用的物理资源(如:cpu,memory,IO等等)的机制。关于Cgroups的内容本文不再展开。

  1. [root@centos7 ~]# systemd-cgls
  2. ├─1 /usr/lib/systemd/systemd –switched-root –system –deserialize 21
  3. ├─user.slice
  4. │ └─user-0.slice
  5. │   ├─session-182.scope
  6. │   │ ├─5165 sshd: root@pts/1
  7. │   │ ├─5167 -bash
  8. │   │ ├─5409 systemd-cgls
  9. ….
  10. ….

4、systemd-cgtop 显示各控制组的使用量(CPU,内存,IO)

显示效果类似命令top

  1. [root@centos7 ~]# systemd-cgtop
  2. Path                                                Tasks   %CPU   Memory  Input/s Output/s
  3. /                                                   161    0.2   400.5M        –        –
  4. /system.slice/NetworkManager.service                  1      –        –        –        –
  5. /system.slice/auditd.service                          1      –        –        –        –
  6. /system.slice/crond.service                           1      –        –        –        –
  7. /system.slice/dbus.service                            1      –        –        –        –
  8. /system.slice/firewalld.service                       1      –        –        –        –
  9. ….

5、systemd-loginctl 控制systemd登录管理

此命令是命令loginctl的符号链接

  1. #列出当前会话
  2. [root@centos7 ~]# systemd-loginctl list-sessions
  3.    SESSION        UID USER             SEAT
  4.        182          0 root
  5.        154          0 root
  6. 2 sessions listed.
  7. #列出当前登录用户
  8. [root@centos7 ~]# loginctl list-users
  9.        UID USER
  10.          0 root
  11. 1 users listed.
  12. #列出显示指定用户的信息
  13. [root@centos7 ~]# loginctl show-user root
  14. UID=0
  15. GID=0
  16. Name=root
  17. Timestamp=三 2016-12-21 08:38:54 CST
  18. TimestampMonotonic=77015538361
  19. RuntimePath=/run/user/0
  20. Slice=user-0.slice
  21. Display=154
  22. State=active
  23. Sessions=182 154
  24. IdleHint=no
  25. IdleSinceHint=0
  26. IdleSinceHintMonotonic=0
  27. Linger=no
  28. [root@centos7 ~]#

6、timedatectl 系统时间和日期控制

  1. [root@centos7 ~]# timedatectl
  2.       Local time: 三 2016-12-21 13:47:31 CST
  3.   Universal time: 三 2016-12-21 05:47:31 UTC
  4.         RTC time: 三 2016-12-21 05:47:31
  5.        Time zone: Asia/Shanghai (CST, +0800)
  6.      NTP enabled: n/a
  7. NTP synchronized: no
  8.  RTC in local TZ: no
  9.       DST active: n/a
  10. #设置时间
  11. [root@centos7 ~]# timedatectl settime “2012-10-30 18:17:16”
  12. #列出时区
  13. [root@centos7 ~]# timedatectl list-timezones
  14. Africa/Abidjan
  15. Africa/Accra
  16. Africa/Addis_Ababa
  17. Africa/Algiers
  18. Africa/Asmara
  19. ….
  20. #设置时区
  21. [root@centos7 ~]# timedatectl set-timezone America/New_York

7、hostnamectl 系统主机名控制

  1. #状态
  2. [root@centos7 ~]# hostnamectl status
  3.    Static hostname: centos7
  4.          Icon name: computer-vm
  5.            Chassis: vm
  6.         Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
  7.            Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
  8.     Virtualization: vmware
  9.   Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
  10.        CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
  11.             Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
  12.       Architecture: x86-64
  13. #设置主机名(内核参数/proc/sys/kernel/hostname和文件/etc/hostname中都立即更新)
  14. [root@centos7 ~]# hostnamectl set-hostname MYHOST
  15. #重新登录后主机名即变为myhost(静态主机名)
  16. [root@centos7 ~]# hostnamectl
  17.    Static hostname: myhost
  18.    Pretty hostname: MYHOST
  19.          Icon name: computer-vm
  20.            Chassis: vm
  21.         Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
  22.            Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
  23.     Virtualization: vmware
  24.   Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
  25.        CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
  26.             Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
  27.       Architecture: x86-64

以上systemd相关所有命令(除systemd-cgls和systemd-cgtop外),都可以使用选项-H指定远程基于systemd的主机(使用ssh协议):

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

systemd功能强大,使用方便,但也比较复杂,体系庞大。本文只介绍一点相关命令,更多内容就不在此展开了。

本文简述了传统的BIOS和新的UEFI启动流程,介绍了init和systemd部分相关命令。

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