Linux

Linux启动流程和内核管理

Linux启动流程和内核管理

流程图

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引导程序（Bootstrap Program）

BIOS

其代码存储在主板的一颗ROM存储芯片上，ROM是只能读不能写的

修改的数据是存储在另外一颗RAM存储芯片上，RAM掉电后数 据就会消失，所以主板上有一颗纽扣电池来给这个RAM供电，当这颗纽扣电池没电了，BIOS里面的设置项，就 又恢复成出厂设置了。

  • POST：
    • Power-On-Self-Test （加电自检），是硬件程序BIOS芯片中的一个主要功能，负责完成对CPU、主 板、内存、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘等硬件情况的检测。
  • ROM：
    • Read-Only Memory （只读存储），该存储器上的数据只能读出，不能写入
  • RAM：
    • Random Access Memory （随机存取存），这里的随机取存，是指通电后，随时可在任意位置单元存 取数据信息，不过断电后内部信息也随之消失。
  • 系统启动自举程序：
    • 搜寻并加载操作系统引导记录（MBR）的程序。
      • 按照RAM中保存的启动顺序，搜寻有效的启动驱动器（如硬盘、光盘驱动器、网络服务器等）。
      • 读入操作系统引导记录。
      • 将系统控制权交给引导记录，由引导记录完成系统的启动。

BIOS只支持传统的MBR（主引导记录）磁盘分区格式

BIOS里面的 boot 指定我们要启动的位置，0:0 == [第一块磁盘的第一个分区]

EFI，UEFI

UEFI（统一可扩展固件接口）是一种新的启动方式，它在BIOS的基础上进行了改进，可以看作是BIOS的 升级版。UEFI模式具有许多优势：

  • 启动速度快：
    • UEFI支持硬件加速和并行处理，可以在几秒钟内启动操作系统，而BIOS通常需要几十秒。
  • 支持大容量硬盘：
    • UEFI基于GPT（全局唯一标识分区表）分区结构，能够支持超过2TB的硬盘容量。
  • 功能丰富：
    • UEFI拥有更加现代化的图形界面，可以更方便地进行设置和管理。
    • 它支持网络启动、安全启动等高级功能，并提供灵活的驱动程序支持。
  • 兼容性好：
    • UEFI可以识别MBR和GPT两种分区格式，因此可以兼容不同版本的Windows和Linux操作系统。

在UEFI模式下,直接由EFI系统分区中的 .efi 引导程序来引导操作系统。

EFI 系统分区（ESP）起始于第 2048 扇区，用于存储 .efi 引导文件。

bootloader 启动加载器

Bootloader叫引导加载器，引导程序。

独立的软件，运行在BIOS之后，操作系统启动之前。它的主要作用就是引导操作系统启动。

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MBR（1.0阶段）

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第 0 扇区（512 字节）存储了 MBR（主引导记录），其空间非常有限，只能容纳引导加载器的第一阶段（Stage 1）。

Stage 1 主要负责定位和加载后续阶段的引导代码，而文件系统驱动程序可能体积较大，需要额外空间。

1-2047扇区（1.5阶段）

用于加载文件系统驱动程序，支持解析磁盘上的文件系统。

在 1-2047 扇区中存储文件系统驱动或支持代码，使第二阶段引导程序（Stage 2）能够读取磁盘上的文件系统（如 /boot 分区）。

GRUB（2.0阶段）

CentOS 5，6 GRUB 0.97（GRUB Legacy）， CentOS 7 以后使用 GRUB 2.xx

GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个启动加载程序，用于启动操作系统。其配置文件在 Linux系统的启动过程中起着至关重要的作用。

目前grub的配置文件主要有两种样式：

  • grub1的配置文件在 /boot/grub/grub.conf
  • grub2的配置文件在 /boot/grub2/grub.cfg

读取 /boot/grub 下的配置文件和操作系统内核。选择和加载内核。

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 # GRUB 2 的主配置文件
 cat -n /boot/grub2/grub.cfg | grep '###'
 # 其中 ### BEGIN /etc/grub.d/10_linux ### 是linux系统启动的选择区域
 
 # 系统启动信息配置文件，放置在另外一个目录下
 ls /boot/loader/entries/
# ed2606c630314e8ebc3fe115115cb13e-0-rescue.conf                            救援模式的
# ed2606c630314e8ebc3fe115115cb13e-5.14.0-427.13.1.el9_4.x86_64.conf        正常的

vmlinuz是一个压缩的内核镜像文件，包含了Linux内核的压缩版本以及相关的启动信息。

在系统启动时，引导加载程序（如GRUB）会加载vmlinuz文件，并将其解压缩到内存中。

然后，操作系统的控制权会转移到内核镜像，从而启动Linux操作系统。

mlinuz文件包含了操作系统的核心功能、驱动程序和必要的文件系统支持，负责初始化硬件设备、管理进程、提供系统调用接口等。

initramfs（initial ramdisk filesystem）是一个在内存中的临时根文件系统。

它在Linux内核启动之前被加载到内存中。initramfs包含了内核启动所需的文件系统模块和驱动程序，使得内核能够顺利地加载真正的根文件系统。一旦真正的根文件系统加载完成，initramfs就会被卸载，系统将转移到真正的根文件系统上运行

initramfs（initial ramdisk filesystem）是一个在内存中的"临时根文件系统"，它在Linux内核启动之前被加载到内存中。

initramfs包含了内核启动所需的文件系统模块和驱动程序，使得内核能够顺利地加载真正的根文件系统。一旦真正的根文件系统加载完成，initramfs就会被卸载，系统将转移到真正的根文件系统上运行。

  • 提供必要的文件系统支持： initramfs中包含了内核启动所需的文件系统模块和驱动程序，它们使得内核能够识别和挂载真正的根文件系统。 从而定位到 init 程序，从而完在真正的系统启动。

  • 简化内核启动过程： 通过提前加载必要的文件系统支持和驱动程序。 它可以在内核启动的早期提供一个用户态环境，用于完成在内核启动阶段不易完成的工作。

  • 支持特定的启动需求： initramfs可以根据系统的需求进行定制，包含特定的文件系统支持和驱动程序，以满足特定的启动需求。

  • 提供系统维护和故障排除的功能： 在系统无法正常启动时，可以通过initramfs进入救援模式进行修复。initramfs中可以包含一些系统维护和故障排除工具，这些工具可以帮 助用户诊断和解决系统启动过程中遇到的问题。

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dnf install -y dracut-tools

查看文件内容
lsinitrd initramfs-5.14.0-427.13.1.el9_4.x86_64.img

GRUB 管理

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GRUB修复 /boot下全删

进入光盘troublshooting模式

  • 1 continue（这会自动将原根挂载到/mnt/sysroot下）

    • ubuntu中要自己手动挂载：mount /dev/vg/lvm /mnt

  • 切根：chroot /mnt/sysroot

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dnf install grub2


# 重新安装grub到启动设备
grub2-install /mnt/sysimage

# 生成GRUB配置文件：
grub2-mkconfig -o /mnt/sysimage/grub2/grub.cfg


dnf install kernel

注意：
 如果无法安装的话，可以先卸载内核，然后再安装内核即可
 这里安装的软件有：kernel 、kernel-core、kernel-modules、kernel-modules-core

root口令绕过

init=/bin/bash 

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按 e ，进入内核编辑模式，然后修改内核的启动参数
 "ro" 改成 "rw"
 rhgb 后面添加 init=/bin/bash

Ctrl+x 进行保存启动

如果开启SElinux
设置 SElinux 重启标记
 touch /.autorelabel
最后重启系统：
 exec /usr/sbin/init

rd.break 

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按 e ，进入内核编辑模式，然后修改内核的启动参数
 "ro" 改成 "rw"
 rhgb 后面添加 rd.break
 
进入紧急模式，切根
chroot /sysroot

如果提示sh没有chroot，使用根的chroot
/sysroot/usr/sbin/chroot /sysroot

无限重启

添加参数 systemd.unit=multi-user.target 然后 ctrl+x

其他的一些target

desired.target、multi-user.target、emergency.target、rescue.target

内核

流程

  1. 探测可识别到的所有硬件设备
  2. 加载硬件驱动程序（借助于initramfs加载驱动）
  3. 挂载根文件系统
    • 以只读方式挂载根文件系统。确保系统完整性。
    • 将根文件系统重新挂载为读写模式。
  4. 启动用户空间第一个应用程序
    • systemd

内核启动的时候，依赖的大量内核模块文件

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修复vmlinuz文件

  • CD中获取vmlinuz文件
  • dracut 制作
    • dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

修复initramfs文件

  • CD中获取initramfs文件
  • mkinitrd 制作
    • mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

系统启动

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 systemctl get-default
 
 systemctl multi-user.target

系统初始化

init初始化 

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init进程是内核启动的第一个用户级进程，它的进程ID（PID）通常为1。在Linux系统中，init进程负责如下作用：

 - 系统初始化：
 	init进程在系统启动时执行一系列初始化操作，如设置系统环境、挂载文件系统等。
 	该程序是内核启动之后的第一个进程，也是进程树中的树根，所以其进程ID始终为1。
 - 启动其他进程：
 	根据系统配置文件（如Linux中的/etc/inittab），init进程会启动其他必要的系统进程和服务。
 - 监控与管理：
	 init进程还会监控系统中的其他进程，确保它们正常运行，并在必要时进行重启或终止。

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初始化脚本 sysinit

系统初始化脚本功能
    1. 设置主机名
    2. 设置欢迎信息
    3. 激活udev和selinux 
    4. 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统
    5. 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统
    6. 设置系统时钟
    7. 激活swap设备
    8. 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数
    9. 激活lvm及software raid设备
    10. 加载额外设备的驱动程序
    11. 清理操作

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/etc/rc.d/rc 控制服务脚本的开机自动运行

chkconfig 管理服务 

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查看所有服务在不同运行级别下的停启情况
[root@c6 ~]# chkconfig --list
NetworkManager 0:off 1:off 2:on 3:on 4:on 5:on 6:off
abrtd         0:off 1:off 2:off 3:on 4:off 5:on 6:off
......
查看指定服务
[root@c6 ~]# chkconfig --list crond
crond         0:off 1:off 2:on 3:on 4:on 5:on 6:off
查看链接
[root@c6 ~]# ll /etc/rc3.d/*cron*
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Aug 29 05:40 /etc/rc3.d/S90crond -> ../init.d/crond
修改服务
[root@c6 ~]# chkconfig --level 3 crond off
再次查看，变成了K开头
[root@c6 ~]# ll /etc/rc3.d/*cron*
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Aug 30 14:49 /etc/rc3.d/K60crond -> ../init.d/crond
crond在3模式下变成了off
[root@c6 ~]# chkconfig --list crond
crond         0:off 1:off 2:on 3:off 4:on 5:on 6:off

service 手动管理服务 

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service crond stop
service crond start
service crond status

xinetd 管理非独立服务 

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	有很多服务不是常用服务，使用频率不高，如果这种服务也加入开机启动，则会消耗服务器资源，为了平衡资源与服务使用之间的关系，我们可以用一个代理服务来管理这些不常用的服务。

	这些被代理的服务就称之为非独立服务

systemd初始化

unit 

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在systemd中，unit是一个基本概念，表示一个系统功能或服务。
 unit表示不同类型的systemd对象，systemd会根据配置文件和设置，启动各种units，
 包括服务（service）、设备（device）、挂载点（mount）、监听(socket)等。
 每个unit都有一个名称和一个类型，systemd使用依赖关系来确保正确的启动顺序。
 
 查看unit类型
[root@rocky9 ~]# systemctl -t help

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服务管理 

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1. systemd执行默认target配置，配置文件/etc/systemd/system/default.target
2. systemd执行sysinit.target初始化系统及basic.target准备操作系统
3. systemd启动multi-user.target 下的本机与服务器服务
4. systemd执行multi-user.target 下的/etc/rc.d/rc.local
5. Systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务

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# 查看依赖
systemctl list-dependencies

# 分析启动时间
systemd-analyze
systemd-analyze blame
systemd-analyze plot > html

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服务脚本文件

位于

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/usr/lib/systemd/system/
/run/systemd/system
/etc/systemd/system

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对于新创建的unit文件，或者修改了的unit文件，要通知systemd重载此配置文件，或者选择重启系统
systemctl daemon-reload
init q

内核参数

一些参数

文件系统 

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readahead：决定了操作系统在从磁盘读取数据时，预先读取的数据量。增加readahead的值可以提高顺序
读取的性能，但可能会降低随机读取的性能。

dirty_background_ratio：控制当脏页（被修改过的页面）占总可用内存的百分比达到多少时，后台写入
开始将脏页写回磁盘。如果系统中有大量的写操作，可能需要调低这个比例。

dirty_expire_centisecs：指定了一个脏页在被写入磁盘前在内存中停留的最大时间（以百分之一秒为单
位）。减少这个值可以确保脏页更快地被写回磁盘，但太低的值可能会导致频繁的写操作，影响性能。

dirty_ratio：控制当脏页占可用内存的百分比达到多少时，内核开始同步地将脏页写回磁盘。这个值通常应
该比dirty_background_ratio高。

内存管理 

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vm.swappiness：控制内核倾向于使用swap空间的程度。值越高，系统越倾向于使用swap空间。适当调整该
参数可以平衡内存使用和swap的使用，从而减少磁盘I/O操作，提高系统性能。

vm.min_free_kbytes：设置系统尝试保留的最少空闲内存量（以KB为单位）。如果空闲内存低于这个值，
内核会采取措施来增加空闲内存量。

shmall和shmmax：分别控制共享内存段的总数量以及单个共享内存段的最大大小。适当调整这些参数可以提
高系统处理进程间通信的能力。

进程和线程相关参数 

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kernel.pid_max：控制系统中可以同时存在的进程数量的上限。

kernel.threads-max：定义了系统中进程数量（包括线程）的最大值。对于多线程应用程序，适当增加此
值以支持更多的线程。

网络相关参数 

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net.ipv4.tcp_max_tw_buckets：控制系统中TIME_WAIT套接字的最大数量。增加该值可以减少
TIME_WAIT套接字的数量，适用于高并发的服务器。

net.ipv4.tcp_tw_reuse和net.ipv4.tcp_tw_recycle：控制TCP TIME-WAIT快速重用。开启这些参
数可以允许快速重用TIME_WAIT状态的连接。

net.ipv4.tcp_fin_timeout和net.ipv4.tcp_keepalive_time：分别控制TCP连接的关闭时限和空闲
超时时间。适当减少这些时间可以加快资源的回收。

net.ipv4.ip_local_port_range：定义UDP和TCP连接的本地端口的取值范围。扩大端口范围以支持更多
的并发连接。

消息队列和共享内存参数 

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kernel.msgmnb、kernel.msgmax和kernel.msgmni：分别控制消息队列的最大长度、单个消息的最大长
度和系统中同时运行的消息队列的个数。

sysctl 参数设置

参数以文件的形式显示在 /proc/sys/ 目录中，配 置项就是目录名加文件名，值就是该文件中的内容

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sysctl -a		# 显示所有

sysctl -p		# 重载参数

sysctl -w		# 设置参数

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# 临时
[root@rocky9 ~]# echo 123 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
[root@rocky9 ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
123
[root@rocky9 ~]# sysctl net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 123

# 写配置文件，永久有效
vim /etc/sysctl.conf
sysctl -p

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系统在启动时，会按下列顺序加载配置文件，读取参数值
/etc/sysctl.d/*.conf
/usr/lib/sysctl.d/*.conf 
/lib/sysctl.d/*.conf
/etc/sysctl.conf

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