23、Linux 实战：系统初始化流程

系统初始化

启动流程

1）读取BIOS，根据BIOS加载硬件信息和硬件系统自检；

2）根据BIOS读取第一个可启动设备中MBR的启动引导程序（Boot Loader）；

3）根据启动引导程序，将指定内核（Kernel）文件加载至内存中解压和执行；

4）待内核检测硬件和加载驱动程序完毕，系统即可运行。

//内核文件一般为压缩文件，使用前需解压缩，才能加载到内存中

在驱动程序加载完成后，Kernel会主动调用Systemd程序进行default.target流程：

1）Systemd执行sysinit.target初始化系统；

2）Systemd执行basic.target设计运行环境；

3）Systemd启动multi-user.target下的本机/服务器的服务；

4）Systemd执行multi-user.target的/etc/rc.d/rc.local、getty.target和登录服务

//若是图形界面，Systemd还需执行graphical.target所需的服务

BIOS（基础输入输出系统）：提供系统最底层和最直接的硬件设置和控制

1）不论BIOS还是UEFI BIOS都统称为BIOS（固化在主板上）

MBR（主引导记录）：磁盘中的Boot Loader区块

1）系统的MBR一般指的是第一个启动设备中的MBR

2）只要BIOS可检测到磁盘（不论任何格式），都可通过硬件的INT 13中断功读取磁盘内的第一个扇区内的MBR

Boot Loader

Boot Loader（启动引导程序）：识别内核文件格式并加载至内核中执行

1）Boot Loader程序安装在MBR中（磁盘的第一个扇区）

//不同的操作系统的Boot Loader不同，且内核需对应的Boot Loader才可加载，所以每个文件系统都会保留一块启动扇区（Boot Loader）用于安装Boot Loader

如：系统中有多个文件系统时的boot loader

//Windows安装时，默认将在MBR和boot sector上都装上boot loader

//Linux可选择是否安装选择在MBR，若不选择在MBR上安装boot loader，则boot loader仅在boot sector上安装（反之亦然）

boot loader功能：

1）提供多重引导启动功能（加载指定的内核文件）；

//实现一台电脑安装多个操作系统

2）直接加载内核文件；

//默认会加载至boot sector内的启动引导程序（如：grub2）

3）将启动管理功能转交至其他boot loader

//Windows的boot loader默认不具有控制权转交功能，所以不能实现在启动Windows后的boot loader后再加载Linux的boot loader（这也是系统安装多重引导时，需先装Windows再装Linux）

如：Windows、Linux和直接加载内核

1）MBR(grub2)Linux Kernelbooting

2）MBR(grub2)boot sectore(Windows Loader)Windows Kernelbooting

3）MBR(grub2)boot sectore(grub2)Linux Kernelbooting

内核文件存储在：/boot/vmlinuz-版本号

//不同版本系统的内核版本和版本号不同，所以没有具体路径

如：查看/boot目录下的文件

Linux内核是通过动态加载内核模块实现多个功能加载

1）Linux发行版都将非必要且可编译的内核功能编译成模块
//如：USB、SATA和SCSI等磁盘设备的驱动程序都是以模块方式加载内核模块都存储在：/lib/modules

//因为动态加载，所以“/”和“/lib”必须放在同一个硬盘分区

如：查看/lib/module目录下存放的内核模块

//若含有多个内核，则以内核版本号命名的目录存储其内核模块

//虽然设备的驱动程序在/lib/modules目录下，但内核并不能挂载该目录（也读取不到该目录下的驱动程序），且内核不能识别具体设备，只能通过加载具体设备的驱动程序将其挂载至根目录

初始化文件系统

初始化文件系统（Initial Ram Filesystem） ：内存中模拟文件系统以提供执行程序

1）虚拟文件系统通过boot loader加载至内存中，并被解压缩（压缩文件）在内存中模拟成一个根目录使用；

2）通过虚拟文件系统提供的程序加载启动程序中需要的内核模块，模块通常为文件系统设备的驱动程序；

3）加载完成后，再帮助内核重新调用Systemd完成后续的启动流程；

//初始化文件系统也可称为虚拟文件系统

如：BIOS、boot loade和内核加载流程

//boot loader加载Kernel和initramfs（Initial RAM Filesystem），在内存中将initramfs解压缩成根目录，由此加载所需的驱动程序，加载完成后释放initramfs并挂载实际的根目录文件系统

如：查看系统的虚拟文件系统（initramfs）

//initramfs就是一个小型的根目录，且由Systemd管理initramfs通过initrd.target启动

initramfs存在原因：内核模块都存储在/lib/modules/$(uname-r)/kernel目录下，则内核想读取这些模块就需先将其在根目录挂载，而内核本身不具备磁盘的驱动程序，所以不能挂载到根目录，进而不能读取到模块

initramfs具体操作：

1）将/lib/modules目录下内核启动过程所需的模块打包成一个文件（initramfs）；

2）在启动过程中就通过INT 13硬件中断的功能将文件解压缩；

3）initramfs在内存中模拟成根目录，且包含磁盘驱动程序和文件系统的模块；

4）内核通过initramfs就可识别实际的磁盘，进而将实际的根目录挂载；

dracut命令：建立/重置initramfs文件

指令格式1：dracut 选项 initramfs文件名

//各个发行版的内核都默认提供initramfs文件

指令格式2：dracut 选项 initramfs文件名

第一个程序

待内核加载完成、硬件检测和驱动程序加载都完成后，内核会自动调用第一个程序“Systemd”（所以Systemd的PID是1）

1）Systemd功能：通过default.target设计软件运行的环境

2）Systemd的默认启动服务集合：/etc/systemd/system/default.target

//如：系统的主机名、网络设置、文件系统格式和其他服务的启动等

如：查看/etc/systemd/system/default.target

当内核完成/etc/systemd/systemd/default.target的默认启动服务集合后，就会链接到/usr/lib/systemd/system目录下加载multi-user.target或graphical.target

//加载graphical.target相当于也加载了multi-user.target（graphical.target在multi-user.target加载完成后通过加载其他服务而完成）

如：继续加载multi-user.target（graphical.target同理）流程
1）查看multi-user.target配置文件

//multi-user.target需在basic.target加载完毕后再加载很多服务

2）查看multi-user.target加载的其他服务

//其中/usr/lib/systemd/multi-user.target.wants代表系统设置加载的服务，/etc/systemd/system/multi-user.target.wants代表用户设置加载的服务

Systemd启动流程：

1）local-fs.target：挂载系统/etc/fstab规范的文件系统；

2）swap.target：配置内存交换分区；

3）sysinit.target：检测硬件和加载内核所需模块等；

4）basic.target：加载主要设备的驱动程序和防火墙等；

5）multi-user.target：加载普通系统服务和网络服务

//若系统为图形界面，还需执行graphical.target完成界面化服务

sysinit.target：提供系统基本的内核功能、文件系统和设备驱动等（初始化系统）

sysinit.target主要实现功能如下：

//不论任何运行级别，sysinit.target都是必须工作的

basic.target：完善初始化后系统的其他服务（操作系统）

/etc/systemd/system/multi-user.target.wants：通过链接文件控制服务开机自启

//系统在启动时，会自动启动该目录下的所有文件，若让一个服务开机自启，只需将在该目录下做个链接文件

如：取消cups服务的开机自启，再设置其为开机自启

//通过systemctl建立/删除链接文件实现是否开机自启

/etc/systemd/system目录：存储系统启动需执行的程序/脚本文件

//实现效果同/etc/rc.d/rc.local文件一致，两者不同处在于：前者属于Systemd，后者属于System V

rc-local.service：为兼容System V的rc.local

//该服务是否启动成功，与/etc/rc.d/rc.local是否具有可执行权限有关；若rc.local具有可执行权限，systemctl重读配置文件后则可启动该服务；若rc.local不具有可执行权限，则rc-local.service无法启动

如：启动rc-local.service服务

1）查看/etc/rc.d/rc.local权限，并启动rc-local.service服务；

2）使/etc/rc.d/rc.local具有可执行权限，并启动rc-local.service服务

/etc/modules-load.d/模块名.conf：存储内核需加载的模块

1）内容格式：一行即代表一个需加载的内核模块

2）sysinit.target加载模块时默认调用该目录下的文件

/etc/modprobe.d/模块名.conf：存储内核模块的配置参数

1）内核模块的参数配置文件一般与该内核模块同名

/etc/sysconfig目录：存储系统服务的脚本文件

//虽然Systemd已拥有其他的配置文件处理方式，但为了兼容System V，系统启动时还是会读取/etc/sysconfig目录下的文件

如：/etc/sysconfig目录下常用的脚本文件

1）authconfig：规范用户的身份认证功能、/etc/passwd、/etc/shadow使用权限和/etc/shadwon的密码加密算法（Centos7默认使用SHA-512加密算法）；

2）cpupower：规范Linux内核操作CPU的原则和启动cpupower.service；

//cpupower.service可让系统以CPU最大性能的方式来运行

3）firewalld：与防火墙相关的配置；

//与防火墙相关的还有：iptables-config、ip6tables-config和ebtables-config

4）network-scripts：网卡配置参数相关

内核模块

如：查看/lib/modules/$(uname-r)/kernel目录

7）/lib/modules/内核版本号/modules.dep：记录内核模块依赖性

//内核模块的启动/运行类似服务一样具有依赖性

depmod命令：分析当前内核模块依赖性并写入默认文件中

//默认文件：/lib/modules/内核版本号/modules.dep

指令格式：depmod 选项

//不加选项时，默认分析当前内核模块依赖性，并重新写入默认文件中

lsmod命令：查看当前内核加载模块数量

指令格式：lsmod

如：查看当前内核加载了多少模块

内容格式：模块名称（Module） 模块大小（Size） 模块是否被引用（Used by）

modinfo命令：显示指定内核模块的信息

//modinfo不仅可查看内核模块，还可查看具体模块文件

指令格式：modinfo 选项 模块名

如：查看ip_tables模块的信息

rmmod命令：从内核中删除指定模块

指令格式：rmmod 选项 模块名

insmod命令：添加指定模块到内核中

//insomd可添加模块到内核中，但不能解决模块依赖性问题

指令格式：insmod 选项 内核模块的绝对路径

modprobe命令：根据modules.dep文件添加/删除内核中的模块

//modprobe可添加一个/一组相依的模块，modprobe根据modules.dep文件中的依赖关系，决定添加哪些模块，且不需指定模块的绝对路径，因为modules.dep已记录该模块的绝对路径，若添加过程中发生错误，modprobe会删除整组模块

指令格式：modprobe 选项 模块名

Grub2

Grub2：Centos7使用的一种boot loader

grub2的优点如下：

1）识别和支持较多的文件系统，且grub2可直接在文件系统中查找内核文件；

2）系统启动时，可自行编译和修改启动设置选项（类似bash命令行模式）；

3）动态查找配置文件

//只需修改/boot/grub2/grub.cfg的设置参数后，下次重启自动生效

grub2-install命令：将grub2安装到指定设备下

指令格式：grub2-install 选项 安装设备

//grub2-install默认将grub2所有的文件都安装到/boot/grub2目录下

//grub2-install仅能安装grub2主程序和相关配置文件到/boot/gurb2目录下

//若将grub2安装到磁盘分区下时，需添加许多选项才能安装，且不能用grub2-install将主程序写入到启动扇区（导致无法启动）

配置Grub2

Linux将grub2分为两个阶段（stage）进行保存和运行：

//由于MBR是硬盘的第一个扇区的一个区块，容量仅446B，故不能存储下类似grub2这种复杂功能的grub2（GPT也不能）

1）Stage1：运行grub2主程序，主程序被安装在启动区（MBR或boot sector），并不安装其相关的配置文件；

2）Stage2：主程序加载配置文件，通过grub2加载所有配置文件和相关的环境参数文件（文件系统定义和主要配置文件grub.cfg）

/boot/grub2目录：存储grub2相关配置文件

如：查看/boot/grub2

grub2的磁盘命名格式：

//grub2通过对磁盘命名，识别不同磁盘和磁盘分区

1）磁盘名以小括号括起来；

2）磁盘以“hdN”表示，N代表该磁盘的被查找到的顺序；

//第一个查找的磁盘为0，第二个为1，以此类推；

//由于BIOS可动态调整磁盘的启动顺序，则磁盘被查找的顺序不固定，所以N是可能会变动的

3）每个磁盘的第一个分区为1，以此类推

如：系统中含有三块磁盘，其在grub2的中命名如下

//第一块磁盘的第一个逻辑分区的启动扇区命名应为：（hd0，msdos5）

//在命名格式中，msdos和gpt可省略

/boot/grub2/grub.cfg文件：grub2的主要配置文件

//由于该文件内容太过复杂，数据量过多，所以不建议修改该文件，而是通过grub2-mkconfig命令产生新的grub.cfg文件

如：查看/boot/grub2/grub.cfg内容

//grub.cfg内容可分为两部分，第一部分为：其他脚本文件的执行和基础运行环境的设计；第二部分（menuentry）为：设计针对具体Linux内核文件运行的环境

//配置文件中有几个menuentry配置，启动时就有几个选项

/boot/grub2/grub.cfg中特殊设置：

1）set root：指定在Linux文件系统中，根目录在那个磁盘上

2）linux16 /vmlinuz-内核版本号：指定Linux内核文件和内核执行时的参数设置

//由于系统在启动过程中，内核文件需挂载根目录并从根目录中读取配置文件，所以需搭配“set root”在配置中内核文件后一定要指定根目录所在的磁盘

3）initrd16 /initramfs-内核版本号：指定虚拟文件系统

//与linux 16同理，需搭配“set root”在配置中指定具体设备，才能读取到正确的虚拟文件系统

/etc/default/grub文件：提供用户修改grub2默认环境配置文件

如：查看/etc/default/grub内容

//可通过menuentry的saved、数字、title名和ID名指定默认启动项

如：当系统含有3个menuentry时，指定默认启动项
1）查看3menuentry的title名和ID名；

2）指定编号是1的menuentry为默认启动项；

3）指定ID名是“3rd-win-system”为默认启动项；

4）指定saved为默认启动项；

仅修改/etc/default/grub并不能更改grub2的配置，配置/etc/default/grub文件后还需通过grub2-mkconfig命令使/boot/grub2/grub.cfg文件建立/更新

如：使启动选项时等待10秒；默认选用第一个选项；且选项是显示的；内核外带“elevator=deadline”参数
1）配置/etc/default/grub文件；

2）更新grub.cfg文件；

3）检验是否配置成功

grub2-mkconfig命令：通过多个脚本文件辅助建立/更新grub.cfg文件

指令格式：grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

//grub2-mkconfig本质是分析/etc/grub.d目录下的文件和/etc/default/grub文件，再通过执行这些文件来建立/更新grub.cfg文件

/etc/grub.d目录：存储辅助建立/更新grub.cfg的脚本文件

如：查看/etc/grub.d

//若有其他需配置的选项，都应该通过配置40_custom文件实现，通过配置/etc/grub.d/40_custom可实现功能如下：

//在配置/etc/grub.d/40_custom后都需通过grub2-mkconfig命令使其生效

1）自定义内核：若直接启动普通内核，可通过grub2-mkconfig获取10_linux脚本文件而制作；但要带自定义的内核，就需使用grub2-mkconfig获取40_custom脚本文件而制作
制作步骤：
（1）从grub.cfg当中复制指定内核选项（menuentry）到40_custom；
（2）在40_custom中配置带有自定义的内核

2）转交控制权：通过chainloader实现boot loader控制权的转交

chainloader（启动引导程序的链接）：将控制权转交给其他boot loader

//所以grub2就不需要识别每个内核的文件名，只将控制权转交给下一个boot loader或MBR中的boot loader即可

（也不需要识别下一个boot loader的文件系统）

制作步骤：
（1）加载chainloader模块；

（2）指定转交至的文件系统；

（3）指定转交至的硬盘分区；

（4）设置系统去启动扇区读取boot loader软件

如：设置两个启动选项，取得Windows 7启动选项和回到MBR默认环境的选项
1）查看当前MBR设备分区信息

2）配置/etc/grub.d/40_custom文件

启动管理

配置grub2完成各个配置文件后，其启动效果如下：
1）系统启动时，当进行到该界面时就是已经由grub2管理

//设置默认显示选项，所以可在5个选项中选择其中一个内核运行

//在该界面按“e”进入对应选项内核的grub2在线编辑，按“c”进入grub提供的shell模式

2）按“e”进入grub2在线编辑后，显示该界面；上方；grub.cfg文件的内容，可通过方向键查看/编辑；下方；编辑说明/帮助

//取消当前操作并回到前一个画面：ESC或Ctrl和C，直接启动：Ctrl和X

如：在启动过程以图形过程显示，且显示中文
1）编辑/etc/default/grub文件，并grub2-mkconfig

2）再在grub2配置文件的中文，启动时可显示如图

grub2用户：grub2有同Linux的用户管理架构，其用户身份分为两种

//grub2默认允许任何人修改和选择的，且没有设置任何用户身份

//通过grub2用户管理可实现内核使用和修改的权限配置

1）superusers（管理员用户）：在grub2下具有修改和选择所有内核的权限

//设置superusers后，所有的命令修改都会成受限制的

2）users（普通用户）：在grub2下仅能选择指定选项，不能修改任何内核

通过配置/etc/grub.d/40_custom文件实现grub2用户的管理

//配置/etc/grub2/grub.cfg也可实现grub2用户的管理（不建议）

如：当前系统配置三个操作系统，分别安装在(hd0，1)、(hd0，2)和(hd0，3)，其中
（hd0，1）是所有人都可使用的系统；
（hd0，2）是仅系统管理员可使用的系统；
（hd0，3）是仅系统管理员和指定用户可使用的系统

1）配置/etc/grub.d/40_custom文件，并grub2-mkconfig更新grub.cfg文件；

//password也可替换为password_pbkdf2（密文密码）

//若内核配置中加入“--unrestricted”参数代表该内核启动时不需要grub2的用户验证，但进入内核在线编辑时，需grub2的用户验证

2）启动时，多出三个选项

grub2-mkpasswd-pbkdf2命令：根据输入的密码，生成密文密码

指令格式：grub2-mkpasswd-pbkdf2

如：将密码“123456789”加密成密文密码

grub2在线编辑能够实现修改root密码和修改系统等对系统影响巨大的功能，所以需要通过设置grub2进入在线编辑验证登陆，提高系统安全性

//优先级：grub2管理员用户验证 > grub2验证登录，若/etc/grub.d/40_custom和/etc/grub.d/01_users同时存在验证登录，则以/etc/grub.d/40_custom的管理员用户验证登录为准

通过配置/etc/grub.d/01_users文件实现grub2在线编译的验证登录

//也可配置/etc/grub.d/00_header实现，但该文件较为重要（不建议配置）

//由于/etc/grub.d目录下的文件都是被其他脚本所执行的文件，所以不能直接写入用户名和密码，而是通过cat和echo等命令将用户名和密码写入到文件中

如：配置grub2在线编辑验证登录用户名为“mwl3”，密码为“123456789”
1）配置/etc/grub.d/01_users文件；

2）重启再次进入grub2在线编辑模式时

修改root密码

通过grub2在线编辑功能实现root密码的修改，步骤：

1）在grub2选项界面时，按“e”进入在线编辑；

//若grub2设置密码，输入密码进入

2）在内核参数设置中添加“rd.break”内核参数；

3）按下“Ctrl和X”，等待系统进入rd.break系统状态（紧急救援模式）；

4）输入以下指令：

挂载/sysroot目录：mount -o remount，rw /sysroot

切换到实际系统的根目录：chroot /sysroot

修改root密码：echo “root密码” | passwd --stdin root

恢复SELinux上下文：touch /.autorelabel

退出系统实际目录：exit

重启：reboot

//由于autorelabel使系统重新写入每个文件的SELinux类型，所以启动时间较长

chroot命令：切换系统根目录为指定目录

指令格式：chroot 挂载目录

修改root密码的步骤原理：

1）rd.break内核参数可使系统进入RAM Disk操作系统状态（拥有root权限）；此时，所有的目录都属于RAM Disk（原系统根目录挂载在/sysroot目录下）；

2）需要将/sysroot目录挂载，并具有可读写权限；用chroot命令切换到/sysroot目录下，并修改root密码；

//切换到原系统根目录下，就可处理原系统的文件系统和用户管理等

3）由于在rd.break系统状态下，系统不具有SELinux功能，而修改root密码导致/etc/shadow文件的SELinux安全上下文被取消，就需通过/.autorelabe使系统在启动时使用默认的SELinux类型重新配置每个文件的SELinux安全上下文

//若不恢复该文件的SELinux安全上下文会导致启动无法正常启动

另一种恢复SELinux安全上下文步骤：

1）在rd.break系统状态下，修改root密码后，修改SELinux的运行模式为“permissive；

2）重启，以root身份登录系统并输入“restorecon -Rv /etc”恢复/etc目录下所有文件的SELinux安全上下文

3）再将SELinux的运行模式改为Enforcing

另一种修改root密码的步骤：

1）在grub2选项界面时，按“e”进入在线编辑；

2）在内核参数设置中添加“init=/bin/bash”内核参数；

//系统提供一个bash，同时不需输入root密码也具有root权限

由于是默认bash环境，其PATH仅有/bin（也没有Syetemd或init），所以在执行各种命令时，需输入绝对路径

3）输入以下指令：

挂载/目录：mount -o remount，rw /

修改root密码：echo “root密码” | passwd --stdin root

恢复SELinux上下文：touch /.autorelabel

重启：硬件强制重启（断电）

//Linux不能随意关机，容易导致文件系统错乱或某些服务无法启动