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Linux系统启动原理

CentOS 7 启动过程

现代计算机系统是硬件与软件的复杂组合。从断电状态开始，到拥有登录提示符的运行中系统，这需要 大量的硬件和软件配合工作。

以下列表从较高层面概述了启动CentOS 7的物理X86_64系统所涉及的任务。

1. 开机自检
2. MBR引导
3. GRUB菜单
4. 加载内核 + initramfs 虚拟根文件系统
5. 切换到真实根文件系统 switch_root
6. systemd 执行初始化
7. 启动目标单元 target
8. 启动本机服务
9. 终端启动，出现登录界面

1. 计算机接通电源。系统固件（现代UEFI或更旧的BIOS）运行开机自检(POST)，并开始初始化硬件。
   配置：在系统启动早期，通过按特定的组合键，例如F2，配置系统固件。

2. 系统固件搜索启动设备，根据固件配置的顺序搜索启动磁盘上的主启动记录(MBR)。系统固件从磁盘读取boot loader，然后将系统控制权交给boot loader，boot loader是GRand Unified Bootloader version 2(GRUB2)。
   配置：使用grub2‑install命令进行配置，它将安装GRUB2作为磁盘上的启动加载器。

3. GRUB2从/boot/grub2/grub.cfg文件加载配置并显示一个操作系统菜单，可以从中选择要启动的系统。
   配置：使用/etc/grub.d/目录、/etc/default/grub文件和grub2‑mkconfig命令进行配置，以生成/boot/grub2/grub.cfg文件。

4. boot loader根据选定条目的配置，从磁盘中加载kernel和initramfs，并将它们放入内存中。
   initramfs是一个存档，其中包含启动时所有必要硬件的内核模块、初始化脚本等等。

   boot loader将控制权交给kernel，并同时将启动项的内核参数、initramfs在内存中的位置传递给kernel。内核在initramfs中找到所有硬件驱动程序，并初始化这些硬件。

   配置：使用/etc/dracut.conf.d/目录、dracut命令和lsinitrd命令进行配置，以检查initramfs文件。

5. initramfs执行/sbin/init，作为PID 1。在CentOS 7中，/sbin/init是一个指向systemd的链接。
   配置：使用内核参数init=command配置系统初始化程序。

6. 随后，systemd会加载从内核命令行传递的target或者加载系统配置的default.target，该目标通常启动一个基于文本的登录或图形登录屏幕。
   配置：使用systemctl设置默认target。

7. default.target依赖sysinit.target，sysinit.target用于初始化系统，例如读取/etc/fstab挂载文件系统，激活systemd‑journald等。
   配置：使用/etc/fstab配置文件系统开机自动挂载。

8. default.target还会激活开机启动的单元。
   配置：使用systemctl设置开机启用服务。

9. default.target还会激活getty.target，该target将打开tty1终端用于用户登录。

系统target

systemd使用类型为target的单元来分组不同单元，例如multi-user.target包涵chronyd.service、 crond.service、firewalld.service等服务。

target还可以包涵其他target，例如graphical.target包涵multi-user.target，multi-user.target包涵 basic.target，basic.target包涵sysinit.target。

使用以下命令查看target之间依赖关系：

[root@centos ~15:51:36]# systemctl list-dependencies graphical.targetgraphical.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 ● ├─abrt-ccpp.service ● ├─abrt-oops.service ● ├─abrt-vmcore.service ● ├─abrt-xorg.service ● ├─abrtd.service ● ├─atd.service ● ├─auditd.service ● ├─avahi-daemon.service ● ├─chronyd.service ● ├─crond.service ● ├─cups.path ● ├─cups.service ● ├─dbus.service ● ├─initial-setup-reconfiguration.service ● ├─irqbalance.service ● ├─ksm.service ● ├─ksmtuned.service ● ├─libstoragemgmt.service ● ├─libvirtd.service ● ├─mcelog.service#查看反向依赖[root@centos ~15:52:03]# systemctl list-dependencies sshd.service --reversesshd.service ● └─multi-user.target ● └─graphical.target

系统启动级别

CentOS 6 之前使用启动级别控制系统开机激活哪些服务。

CentOS 7 之后使用target控制系统开机激活哪些服务。

设置系统运行目标

/etc/inittab文件是rhel6之前版本初始化系统使用的配置文件。

# 部分内容如下# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:# 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)# 1 - Single user mode# 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)# 3 - Full multiuser mode# 4 - unused# 5 - X11# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)## 设置运行级别为5，也就是图形化方式启动。id:5:initdefault:

设置系统当前运行target

# 设置系统当前运行target为multi-user.target[root@centos ~15:56:39]# systemctl isolate multi-user.target# 设置系统当前运行target为graphical.target[root@centos ~15:57:18]# systemctl isolate graphical.target

设置系统开机默认运行target

# 查看系统开机默认运行target[root@centos ~15:57:52]# systemctl get-defaultgraphical.target# 设置系统开机默认运行target[root@centos ~15:58:03]# systemctl set-default multi-user.targetRemoved symlink /etc/systemd/system/default.target. Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.

在系统启动时选择其它目标

要在启动时选择其他目标，将systemd.unit=target.target参数附加到内核命令行。该配置是临时生效的，经常用于系统启动过程中故障排除。

要使用这种选择其他目标的方法，请执行以下步骤：

1. 启动或重新启动系统。
2. 按任意键（Enter除外，它用于执行正常启动）中断启动加载器菜单倒计时。
3. 将光标移至要启动的内核条目。
4. 按e编辑当前条目。
5. 将光标移至以linux开头的行。此为内核命令行。
6. 附加systemd.unit=target.target。例如，systemd.unit=emergency.target。
7. 按Ctrl+x使用这些更改进行启动。

重置ROOT密码

如果管理员仍处于登录状态，不管是作为拥有完全sudo访问权限的非特权用户，还是作为root用户，这个任务都很简单，直接执行passwd命令设置即可。如果管理员未登录，则这个任务变得略微复杂。

在CentOS6及更早的版本中，管理员可以将系统启动到runlevel 1以获得root提示符。在CentOS7之后系统上与runlevel 1最接近的模式是紧急目标和救援目标，但是这两个目标都需要root密码才能登录。

以下几种方法可用于设置新的root密码。例如：

• 系统管理员可以使用Live CD启动系统，挂载根文件系统，然后编辑/etc/shadow：

  • 删除root账户密码字段
  • 使用已知密码字段替换root密码字段

• 在CentOS7之后版本中，可以让initramfs运行的脚本在某些点暂停，以提供root身份的shell，然后在该shell中重置root密码。

方法1：rd.break（官方推荐，优先用）

中断点: initramfs 阶段，还没有切换真实根，提示符switch_root:/#

1. 重新启动系统。
2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。
3. 将光标移至要启动的内核条目。
4. 按e编辑选定的条目。

5. 将光标移到内核命令行（以linux开头的行）。
6. 在这一行最后附加rd.break。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断。kernel 行可能有多个console参数，以最后一个为准，有些时候需要设置console=tty0。

7. 按Ctrl+x使用这些更改进行启动。
8. 此时，系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/sysroot。
9. 以读/写形式重新挂载/sysroot。

switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot

10. 切换root位置，把/sysroot做为文件系统树的根。

    switch_root:/# chroot /sysroot

11. 设置新root密码。

    sh-4.2# passwd root

12. 如果系统开启了SELinux功能，则需要确保所有未标记的文件（包括此时的/etc/shadow)在启动过 程中都会重新获得标记。

    sh-4.2# touch /.autorelabel

13. 键入exit两次。第一个命令将退出chroot存放位置，第二个命令将退出initramfs调试shell。此时， 系统将继续进行启动，执行完整的SELinux重新标记，然后再次重新启动。

14. 登录验证。

方法2：init=/bin/bash

作用：内核启动完，不启动 systemd (PID1)，直接把/bin/bash作为 PID=1，直接拿到系统 shell。

此时根文件系统默认只读挂载

1. 重新启动系统。
2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。
3. 将光标移至要启动的内核条目。
4. 按e编辑选定的条目。

5. 将光标移到内核命令行（以linux开头的行）。
6. 附加init=/bin/bash。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断， 请开启一个root shell。

kernel行可能有多个console参数，以最后一个为准，有些时候需要设置console=tty0。

7. 按Ctrl+x使用这些更改进行启动。
8. 此时，系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/。
9. 以读/写形式重新挂载/。

bash-4.2# mount -o remount,rw /

10. 设置新root密码

sh-4.2# passwd

11. 如果系统开启了SELinux功能，则需要确保所有未标记的文件（包括此时的/etc/shadow)在启动过 程中都会重新获得标记。
12. .执行exec /sbin/init，拉起systemd正常走完启动流程

sh-4.2# exec /sbin/init

13. 登录验证

两种重置root密码方式对比：

/etc/fstab引起的系统启动问题

环境准备

`# 设置磁盘分区管理方案[root@centos79 ~]# parted /dev/sdb mklabel msdos# 创建分区[root@centos79 ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart primary 1 10241# 格式化为xfs文件系统[root@centos79 ~]# mkfs.xfs /dev/sdb1# 创建挂载点[root@centos79 ~]# mkdir /data01# 设置持久化挂载[root@centos79 ~]# echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0' >> /etc/fstab# 挂载并验证[root@centos79 ~]# mount -a[root@centos79 ~]# df -h /data01文件系统 容量 已用 可用 已用% 挂载点 /dev/sdb1 10G 33M 10G1% /data01`

故障1：挂载点不存在

环境准备

[root@centos79 ~]# umount /data01[root@centos79 ~]# rmdir /data01

重启系统验证

# 可以正常进入系统，挂载点会被自动创建[root@centos79 ~]# df -h /data01文件系统 容量 已用 可用 已用% 挂载点 /dev/sdb1 10G 33M 10G1% /data01

故障2：设备名称写错或者找不到设备

环境准备

[root@centos79 ~]# vim /etc/fstab# 将原先的sdb1修改为sdb2/dev/sdb2 /data01 xfs defaults00

重启系统验证

1. 启动过程中找不到该设备。

2. 1分30秒超时后，进入emergency模式，输入密码，进行修复。

3. 修改为正确的值或者注释该条目，确保系统正常启动。

4. 然后输入reboot，重新启动系统。如果系统没有继续启动，则可以强制关机重启。

故障3：破坏文件系统

环境准备

[root@centos79 ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=1

重启系统验证

1. 系统启动过程中尝试修复文件系统，修复失败后提示进入emergency模式修复。

2. 进入emergency模式修复。

   # 执行以下命令修复[root@centos79 ~]# xfs_repair /dev/sdb1

grub2配置

配置

grub2的主要配置文件如下:

• /boot/grub2，grub2的主要配置文件所在目录，例如grub.cfg、grubenv、user.cfg。
• /etc/grub2.cfg
  • /etc/grub2.cfg是指向/boot/grub2/grub.cfg的软连接。
  • 不要直接修改/etc/grub2.cfg文件，该文件由系统自动生成。如果需要自定义这个文件，可以通过修改/etc/grub.d/中脚本和/etc/default/grub文件，然后通过grub2-mkconfig命令生成。

使用efi启动方式的grub2配置文件是/etc/grub2-efi.cfg。

• /etc/grub.d/，该目录下存放多个数字开头的脚本，按照从小到大的顺序执行。例如00_header会调用/etc/default/grub配置文件来实现最基本的开机界面配置。
• /etc/default/grub，定义grub启动部分变量信息，例如grub启动菜单选择条目的超时时间，内核参数等。
• /boot/grub2/grubenv，设定默认启动条目。

grub2菜单超时时间

[root@centos79 ~]# vim /etc/default/grub# 修改GRUB_TIMEOUT为10GRUB_TIMEOUT=10# 生效grub2.cfg配置文件[root@centos79 ~]# grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfgGenerating grub configurationfile... Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64 Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64.img Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-c6e36d35c9a846d7b64d9fdf929b09f6 Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-c6e36d35c9a846d7b64d9fdf929b09f6.imgdone# 重启[root@centos79 ~]# reboot

效果如下: