Linux系统启动流程、grub修复、模块管理及内核参数设定

runlevel, who -r , chkconfig ,grub ,grub-install , mkinitrd , dracut ,sysctl ,lsmod ,modinfo , modprobe , depmod , insmod ,rmmod

Linux系统的组成部分

• kernel

  • /boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE

• initrd

  • Centos 5 : /boot/initrd-VERSION-RELEASE.img
  • Centos 6/7 : /boot/initramfs-VERSION-RELEASE.img

• filesystem

• 模块文件

  • 一般存放于/lib/modules/$(uname -r)/目录下

内核的设计流派

• 单内核设计
  • 把所有功能集成于同一个程序中，其中linux就是以单内核设计
• 微内核设计
  • 每个功能使用一个单独的子系统实现，每个子系统通信需有特殊的机制来实现，其中winodows、solaris的内核设计方式就为微内核。

Linux内核的特点

• 单内核设计
• 支持模块化（.ko的文件，[]kernel object]）
• 支持模块运行时动态装载或卸载
• 内核可以将驱动模块或者功能模块编译进内核，由内核初始化直接加载完成

linux启动流程示意（内核空间---用户空间）

• 内核空间

  • POST—>BootSequence(BIOS)—>bootloader(MBR)—>kernel（ramdisk） —>rootfs(只读方式挂载）—> /sbin/init

• 用户空间：

  • /sbin/init（/etc/inittab） --> { id:#:initdefault: --> si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit --> l#:#:wait:/etc/rc.d/rc # --> /etc/rc.d/rc#.d/[1、开始S开头的服务；2、结束K开头的服务]}-->/etc/rc.d/rc.local
    • 注意：以上{}中，表示在/etc/inittab文件中完成的步骤。

内核空间启动步骤

1、POST加电自检

• 当按主机电源键，计算机主板通电，并完成已下操作：
  • 加载Bios中的ROM中的程序，来检测各种硬件设备

Bios : Baisc input and output system

2、BootSequence

• 按bootsequence的启动列表，查找MBR或UEFI的活动设备。

3、Bootloader

• 找到MBR后查找引导加载器（bootloader程序）,读取mbr中的bootloader,加载boootloader中的grub程序

Grub的工作原理

• stage1: 加载mbr中的所有分区信息
• stage1.5: mbr之后的扇区，让stage1中的bootloader能识别stage2所在的文件分区上的文件系统
• stage2: 磁盘分区之上（/boot/grub/）

注意：MBR能识别基本的硬盘设备，但不能识别高级的文件系统，如lvm , raid等

Bootloader的类型及使用场景

• ntloader
  • windows
• LILO(linux loader)
  • 早期的Linux系统
  • 安卓手机设备
• grub(Grand Uniform bootloader)
  • Centos 5/6 (grub 0.X)
  • Centos 7 (grub 1.X)

4、加载虚根文件系统（ramfs）

• 完成虚根ramfs的初始化，以此来识别硬盘上的文件系统。

5、挂载rootfs

• 以只读方式挂载根文件系统

6、初始化init进程

• 运行进程ID为1的Init进程，利用init启动流程完成用户空间的启动步骤

用户空间启动步骤

SysVinit进程的初始化

• 读取/etc/inittab，需完成如下加载步骤：

  • 系统运行级别加载：id:#initdefault:
  • si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit : 加载运行/etc/rc.d/rc.sysinit文件，完成如下动作：
    • 激动Udev和selinux
    • 根据/etc/sysctl.conf文件，来设置内核参数
    • 设定系统时钟
    • 装载键映射
    • 启用交换分区
    • 设置主机名
    • 要文件系统检测，并以读写方式重新挂载
    • 激活raid和lvm设备
    • 启用磁盘配额
    • 根据/etc/fstab检测并挂载所有文件系统
    • 清理过期的锁和PID文件
  • l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 ---> /etc/rc.d/rcX.d/* 对应系统运行级别，开启或关闭系统各服务，如下：
    • 停止K*的服务
    • 启动S*开头的服务
      • 以上服务都由chkconfig命令管理，并由service命令调用执行停止或关闭操作。
  • tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6，启动登录窗口，并打印欢迎界面
    • 其是mingetty调用login程序，完成密码验证过程
  • 加载/etc/rc.d/rc.local文件
    • 此文件是系统最后启动的一个文件，可以将不需要写在服务维护脚本的命令放置在这里，它将会随系统一起启动完成。

注意：

• Centos7的init程序为systemd，其配置文件存放于:/usr/lib/systemd/system/* ; /etc/systemd/system/*
• Centos6的init为upstart,但为了兼容SysV风格，名称也为Init,其配置文件放置于/etc/init/*.conf

upstart的初始化流程

/etc/inittab(定义了默认的运行级别)-->/etc/init/rc.conf(其中定义了相应的运行级别所要执行对应级别下的服务/etc/rc.d/rcX.d/* ,根据命令exec /etc/rc.d/rc $RUNLEVEL 来调用/etc/rc.d/rcX.d/*)-->/etc/rc.d/rc.local

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/etc/inittab文件格式说明

• id:runlevel:action:process
  • id: 一个任务的标识
  • runlevel: 在哪些级别下启动此任务，可以为空，即表示所有级别
  • action:在什么条件下启动此任务
    • wait : 等待切换至此任务所在的级别时执行一次
    • respawn : 设定默认运行给别，此时process省略
    • sysinit: 设定系统初始化方式，此处一般为指定/etc/rc.d/rc.sysinit脚本
  • process:任务

示例

    0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 : 意味着去启动或者关闭/etc/rc.d/rc3.d/目录下的服务脚本所控制的服务，所有K开头的要停止的服务，所有S开头的启动。 其中表示优先级，K中数值越小，表示越先关闭，S中数据越小表示越先开启。一般依赖的服务先关闭，然后再关闭被依赖的。或者一般被依赖的服务先启动，依赖的服务后启动    

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运行级别：

• 0：关机,shutdown
• 1: 单用户模式，(single user) root用户，无须认证登陆
• 2：多用户模式（multi user）,会启动网络功能，但不会启动NFS；维护模式
• 3：多用户模式（multi user）,完全功能模式，文本界面
• 4：预留级别：目前无特别使用目的。但习惯与同3级别功能使用
• 5: 多用户模式：(multi user),完全功能模式，图形界面。
• 6： 重启，reboot

查看系统运行级别

• runlevel
• who -r
• systemctl get-default(Centos 7)

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系统服务类脚本的添加和管理

添加一个脚本格式

    #!/bin/bash
    #
    #chkconfig: 2345 50 60 #表示2345开启，其他关闭
    #description XXXXX
    下面是脚本正文，需要接受至少如下四个参数：
    {start|stop|restart|status}

使用chkconfig命令添加服务及管理

• 首先需要将脚本复制至/etc/init.d/中。
• 再使用chkocnfig --add 脚本名称（服务名称）
• 再使用service 脚本服务 start

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chkconfig命令

• chkconfig --add service_name
  • 添加一个服务脚本
• chkconfig --del service_name
  • 删除一个服务脚本
• chkconfig --list
  • 查看所有服务的启动状态
• chkconfig 2345 service_name on
  • 在2345运行级别启用此服务
• chkconfig 2345 service_name off
  • 在2345运行级别下关闭此服务

grub如何识别设备

• 1、Boot需单独分区
  • grub的位置应该为/grub/vmlinz
• 2、识别磁盘都为hd
  • (hd#,#) : 第一个表示磁盘分区，第二个#表示分区，都用数字表示，从零开始编号

grub的命令行接口

• help:获取帮助列表

• help KEYWORD : 详细帮助信息

• find (hd#,#)/PATH/TOSOMFILE

• find (hd0,0)/vmlinuz-2.6.32

• root(hd0,0) ：把那个设备设置为根设备

• kernel /path/to/kernel_file: 设定本次启动时用到的内核文件，额外还可以添加许多内核使用的command参数

        例如：init=/path/to/init, selinux=0,quiet
  

• initrd /path/to/initramfs_file | initrd_file : 设定为选定的内核提供额外文件的ramfs(必须与内核版本号完全匹配）

• boot:引导启动选定的内核

手动在grub命令行接口启动系统：

grub> root(hd0,0)
grub> kernel /vmlinuz-version-release ro root=/dev/DEVICE 
grub> initrd /initramfs-version-release.img
grub> boot

注意：ro : 表示以只读方式挂载根文件系统
     root=/dev/DEVICE : 应该写根文件系统所在的磁盘分区

grub的文件的配置格式

/etc/grub/grub.conf

default=0  # 设置默认启动的tile,0表示第一个tile
timeout=5   # 在启动时选择tile时的超时时间
hiddenmenu #是否隐藏启动界面
password --md5 密码串（使用grub-md5-crypt工具加密的密码串）#如果加密，编辑grub时会要求输入密码
title (Centos 6.6)  #启动时的菜单名称
    root (hd0,0) # 表示kernel的存放位置，hd统一表示为所有硬盘，第一个0表示第一块硬盘，第二个0表示一个分区
    kernel /vmlinuz.VERSION.release #kerenl文件的存放路径
    initrd /initramfs.VERSION.release.img #initramfs的存放路径
    password --md5 密码串 #这个密码加密后，启动相应的内核时，会要求输入密码

    
    #注意：title中的每一行都必须要缩进一个空白字符，当grub损坏时，可以使用"find (h0,0)/"查找目录下的文件，使用TAB键补全，如果有就会列出所有的文件，如果没有，表示（hd0,0）指定有错误，需再查找其他的分区中是否有。

进入单用户模式：

• 1、编辑grub菜单（选定要编辑的title ,e命令）
• 2、在选定的kernel后附加1，S，s 或者single都可以
• 3、在kernel所在行，键入b命令

手动安装grub的方法

• 1、grub-install --root-directory=/mnt /dev/sdb

    注意：--root-directory=/mnt : 这个位置必须指定为boot目录所在的父目录，grub会自行在父目录中找到boot目录，然后把grub程序安装到对应的目录中,一般情况在挂载新预备安装gurb的硬盘时，需要在文件系统上建立一个boot目录，再把对应的磁盘挂到boot目录中，这样grub才会找到boot目录，在下面建立所需的文件，如果挂载时不创建boot目录，那和以grub会在目录下创建boot目录，启动时需要将kernel和initrd的位置就应该为/boot/vmliunz格式
  

• 2、分步骤安装

    grub
    grub> root (hd0,0)
    grub> setup (h0,0)
  

手动修复grub引导程序

模拟损坏mbr

• dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1
  • 需要先备份好mbr,使用dd if=/dev/sda of=/root/sda bs=512 count=1

修复过程

• 1、挂载安装光盘，执行linux rescue 进行急救模式
• 2、chroot /mnt/sysimage
• 3、执行grub-install --root-directory=/ /dev/sda
  /dev/sda : 这是对磁盘的mbr修复指定位置，必须是磁盘，不能是分区，就是mbr所存放的位置

新加硬盘，提供直接单独运行bash系统

####创建文件系统并挂载
mke2fs -t ext4 /dev/sdb1
mke2fs -t ext4 /dev/sdb2
mkdir /media/boot
mount /dev/sdb1  /media/boot/
grub-install --root-directory=/media /dev/sdb
cp /boot/vmlinuz-2.6.32-573.el6.x86_64 /media/boot/vmlinuz
cp /boot/initramfs-2.6.32-573.el6.x86_64.img /media/boot/initramfs.img
####grub配置文件信息
vim /media/boot/grub/grub.conf
    default=0
    timeout=5
    hiddenmenu
    title (Centos6.6)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz ro root=/dev/sda2 selinux=0 init=/bin/bash
        initrd /initramfs.img
####给根文件系统提供bash和相应的库文件
mount /dev/sdb2 /mnt/
cd /mnt/
mkdir $(ls /) -pv
cp /bin/bash /mnt/bin/bash
ldd /bin/bash
cp /lib64/libtinfo.so.5 /mnt/lib64/
cp /lib64/libdl.so.2 /mnt/lib64/
cp /lib64/libc.so.6 /mnt/lib64/
cp /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /mnt/lib64/
chroot /mnt/ 

ramfs文件的管理

1、mkinitfs 命令(Centos5)

• synopsis: mkinitrd [OPTION...] [<initrd-image>] <kernel-version>

示例：

• mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

2、dracut 命令（Centos 6\7）

示例：

• dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

内核信息输出的伪文件系统：

• 1、/proc目录

• 内核状态及统计信息的输出接口，同时还提供了一个配置接口：/proc/sys,可以使用sysctl命令修改其内核参数，其此目录下的大部分文件都可接受用户指定的一个"新值",来实现对内核某功能或特性的配置

• 2、/sys目录

• 输出内核识别出的各种配置设备的相关信息，也有内核对硬件特性的可设置参数，可定制硬件的特性

udev功能

• 通过读取sys目录下的硬件设备信息，按需为各硬件设备创建设备文件。当系统初始化的过程中，会探测计算机各种硬件设备信息，此记录会保存至/sys目录下，当系统启动完成后，udev会按照/sys目录下的各设备文件，创建相应的硬件信息。udev为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在其工作目录下。

• udev的工作目录

  • /etc/udev/rules.d : 自定义的规则目录
  • /lib/udev/rules.d/ : 默认的规则目录
  • /dev/.udev/rules.d : 临时规则目录存放位置（Centos 7才有）

• udev目录下的文件

    root@zhenping rules.d]# ls /lib/udev/rules.d/
    01-log-block.rules           60-persistent-storage-tape.rules  75-cd-aliases-generator.rules          81-kvm-rhel.rules
    10-console.rules             60-persistent-v4l.rules           75-net-description.rules               88-clock.rules
    10-dm.rules                  60-wacom.rules                    75-persistent-net-generator.rules      90-pulseaudio.rules
    11-dm-lvm.rules              61-mobile-action.rules            75-tty-description.rules               91-drm-modeset.rules
    13-dm-disk.rules             61-option-modem-modeswitch.rules  77-mm-ericsson-mbm.rules               95-devkit-power-battery-recall-dell.rules
  

内核参数调整方法

1、配置文件修改（永久有效，但需重新启动后）

• 修改/etc/sysctl.conf 或者/etc/sysctl.d/*.conf

    net.ipv4.ip_forward = 0
  

注意：如果需要修改后的参数立即有效，需使用sysctl -p 命令重读其配置信息加载到内核中。

2、使用命令进行修改（临时有效，下次重启后丢失）

sysctl命令

sysctl -sysctl - configure kernel parameters at runtime

• synopsis : sysctl [options] [variable[=value]] [...]

• [options]

  • -a : 显示当前可配置的所有参数
  • -w VAR=VLUE : 更改参数值
  • -p : 从/etc/sysctl.conf文件中重新加载内核设定值

示例

• sysctl net.ipv4.ip_forward : 查看其值
• sysctl -w kernel.hostname=zhenping.mac : 设置其计算机名为zhenping.mac
• sysctl -a : 查看所有可配置的内核参数

使用文件系统命令cat和echo设置和查看

• cat /proc/sys/kernetl/hostname
• echo "VALUE" > /proc/sys/kernel/hostname

常见内核参数

• net.ipv4.ip_forward : 核心转发功能
• vm.drop_caches : 释放buff/cache空间，值有0\1\2
• kernel.hostname : 主机名
• net.ipv4.icmp_echo_ignore_all : 忽略所有发往自己的ping操作

模块管理

lsmod命令

lsmod - 查看所有系统被装载的模块

• lsmod
  • 显示系统被装载的所有模块

注意：其是提取/proc/modules文件信息

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modinfo命令

modinfo - Show information about a Linux Kernel module

其通过/lib/modules/[KERNEL-VERSION]/modules/下的所有文件进行分析并显示的，默认情况下在内核modules编译安装的时候，会在其目录下生成所有modules的依赖关系等，建立对应的索引信息

• synopsis : modinfo [-0] [-F field] [-k kernel] [modulename|filename...]

• [options]

  • -k MODULE : 查看指定的模块信息
  • -F FIELD : 只显示指定字段的信息
  • -n MODULE 显示指定模块的存放路径

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modprobe命令：

modprobe - Add and remove modules from the Linux Kernel

• synopsis: modprobe [-r] module_name

示例：

• modprobe MODULE : 装载指定的模块文件
• modprobe -r MODULE : 卸载指定的模块文件

modprobe可以自行解决模块与模块的依赖关系，并将依赖的模块也一并启用

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depmod命令

内核模块依赖关系文件的生成工具，系统模块的生成文件路径为:/lib/modules/KERNEL-VERSION/下

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模块装载和卸载的另一组命令：

insmod命令

• insmod /lib/modules/3.10.0-229.el7.x86_64/kernel/fs/btrfs/btrfs.ko (模块一定要为完整路径)

rmmod命令

• rmmod MODULE : 卸载指定的模块