操作系统启动流程和Linux内核管理
一.Linux操作系统的组成部分：内核+根文件系统；（主要）
Linux操作系统的主要组成部分
运行在内核之上由内核完成底层硬件管理从而将硬件接口抽象为系统接口，能够让根文件系统工作为文件系统的虚拟机
内核的功用：进程管理、内存管理、网络协议栈、文件系统、驱动程序、安全功能
进程管理
进程管理：最重要的功能是进程调度，由内核的进程管理子系统实现（站在CPU视角）
内存管理
文件系统：营造出每一个进程就像单独运行在操作系统上一样的虚拟的视角（站在储存空间视角）
进程之间是可以互相通信的
叫IPC: Inter Process Communication，常见的有以下几种
消息队列、semerphor、共享内存(shm) //常见的本地通信
socket //跨主机的进程通信
网络功能
设置地址，实际是配置在内核上，而且是立即有效但不是永久有效，如
ip，ifconfig
永久有效—编辑配置文件
tcp/ip协议大致上可分为两段-通信子网和资源子网
通信子网在linux是在内核中实现，所以物理层，互联网层，传输层都是在内核中实现的
因为诸多进程都会用到所以在内核中实现也是理所当然
文件系统
文件系统大多工作在内核空间，ext系列，xfs系列
二.运行中的linux系统环境介绍：内核空间+用户空间
Linux的用户空间与内核空间
1. 用户空间：应用程序（进程或线程）例如vm,ls,cat,grep,sed
2. 内核空间：内核代码（系统调用）
也称为用户模式，内核模式
三.内核的设计流派及linux内核的特点：模块化、支持动态装卸载；
1. 单内核设计：把所有功能集成于同一个程序；
Linux
2. 微内核设计：每种功能使用一个单独的子系统实现；
Windows, Solaris
分层设计的比较优秀，因为相互影响的小
Linux内核特点：
1. 支持模块化： .ko (kernel object)–》模块文件后缀
2. 支持模块运行时动态装载或卸载；
（编译好的内核）组成部分：
1. 核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release //一个压缩的文件
2. ramdisk：//基于内存的磁盘设备
CentOS 5：/boot/initrd-VERSION-release.img
CentOS 6,7：/boot/initramfs-VERSION-release.img
避免被双缓存或双缓存，从而提效
3. 模块文件：/lib/modules/VERSION-release
如果下载了多个内核文件，会有多个模块文件
四.系统内核空间初始化详细流程精解：
只适用于PC架构的主机，MBR类型的
POST --> BootSequence(BIOS) --> BootLoader（MBR）–> Kernel（ramdisk）–> rootfs（readonly）–> /sbin/init ()；
CentOS 系统的启动流程：
1. POST：加电自检；
ROM（重要芯片）：CMOS（互补金属氧化物半导体）
BIOS：Basic Input and Output System：基本输入输出系统，固化在主机上ROM芯片中的代码
整个操作系统中可被CPU访问的存储空间，可线性寻址的物理存储空间
ROM+RAM
2. Boot Sequence：
按次序查找各引导设备，第一个有引导程序的设备即为本次启动要用到的设备；
（引导程序就叫bootloader）
bootloader：引导加载器，程序；
Windows：ntloader
Linux：
LILO：LIinux LOader：不能加载1024柱面以后的分区 (安卓手机用的)
GRUB：Grand Uniform Bootloader
GRUB 0.X：Grub Legacy （centos5.0-6.0）
GRUB 1.X：Grub2 (centos7.0)
功能：提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或不同的内核版本； 把用户选定的内核装载到RAM中的特定空间中，解压、展开，而后把系统控制权移交给内核；
MBR：Master Boot Record
512bytes：
446bytes：bootloader
64bytes：fat （文件系统分区表）
2bytes：55AA （55AAMBR有效）
GRUB：（主要目的从加载内核（bootloader目的）变为加载第二阶段），第二阶段提供
bootloader：1st stage（第一阶段）
Partition：filesystem driver, 1.5 stage
Partition：/boot/grub, 2nd stage（第二阶段）
注意：UEFI除外，GPT
3. Kernel：
自身初始化：
探测可识别到的所有硬件设备；
加载硬件驱动程序；（加载不了有可能会借助于ramdisk加载驱动）
以只读方式挂载根文件系统；
运 行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
init程序的类型：
CentOS 5-：SysV init
配置文件：/etc/inittab
CentOS 6：Upstart //支持并发系统
配置文件：/etc/inittab（基本被废了，只是兼容centos5）
/etc/init/*.conf
CentOS 7：Systemd
配置文件：/usr/lib/systemd/system/, /etc/systemd/system/
ramdisk：
Linux内核的特性之一：使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问；
ramdisk --> ramfs
CentOS 5: initrd
工具程序：mkinitrd
CentOS 6,7: initramfs
工具程序：dracut, mkinitrd
系统初始化流程（内核级别）： POST --> BootSequence(BIOS)//加载加载设备次序 --> BootLoader（MBR）–> Kernel（ramdisk）–> rootfs（readonly）–> /sbin/init ()
Bootloader无法驱动高级软设备，比如LVM，
内核文件不能放在逻辑卷上，只能放在基本磁盘分区上，因为代码少，能力有限
五.系统的运行7个启动级别讲解
0关机、1单用户模式、2、多用户模式、3多用户模式、4预留级别、5多用户模式、6重启；
CentOS 5： SysV init
运行级别：为了系统的运行或维护等目的而设定的机制；
0-6：7个级别；
0：关机, shutdown
1：单用户模式(single user)，root用户，无须认证；维护模式；
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； //NFS即网络文件系统
3、多用户模式(mutli 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，但习惯以同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
默认级别：3, 5
级别切换：init #
级别查看：
who -r
N 5 //上一次级别 现在级别 N表示无级别
runlevel
六./etc/inittab文件详解及运行级别切 换init # 与查看who -r、runlevel；
七.
配置文件：/etc/inittab
每行定义一种action以及与之对应的process //centos5
id:runlevels:action:process
1. id：一个任务的标识符；
2. runlevels：在哪些级别启动此任务；#，###，也可以为空，表示所有级别；
3. action：在什么条件下启动此任务；
4. process：任务；
action
-
wait：等待切换至此任务所在的级别时执行一次；
-
respawn：一旦此任务终止，就自动重新启动之；
-
initdefault：设定默认运行级别；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；
例如：id:3:initdefault: si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1 ………… l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
rc脚本：接受一个运行级别数字为参数；
脚本框架：
for srv in /etc/rc.d/rc#.d/K*; do
$srv stop
done
for srv in /etc/rc.d/rc#.d/S*; do
$srv start
done
/etc/init.d/* (/etc/rc.d/init.d/*)脚本执行方式：(centos5)
- #/etc/init.d/SRV_SCRIPT{start|stop|restart|status}
- #serviceSRV_SCRIPT{start|stop|restart|status}
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
意味着去启动或关闭/etc/rc.d/rc3.d/目录下的服务脚本所控制服务；
K*：要停止的服务；K##，优先级，数字越小，越是优先关闭；依赖的服务先关闭，而后关闭被依赖的；
S：要启动的服务；S##*，优先级，数字越小，越是优先启动；被依赖的服务先启动，而依赖的服务后启动；
K越大，S越小
chkconfig命令：管控/etc/init.d/每个服务脚本在各级别下的启动或关闭状态；
查看：chkconfig --list [name]
添加：chkconfig --add name
能被添加的服务的脚本定义格式之一：
#!/bin/bash
#
# chkconfig: LLL NN NN //运行级别 启动优先级 关闭优先级
//被依赖先启动，后关闭
# description:
删除：chkconfig --del name
修改指定的链接类型：
hkconfig [--level LEVELS] name <on|off|reset>
--level LEVELS：指定要控制的级别；默认为2345；
注意：正常级别下，最后启动的一个服务S99local没有链接至/etc/init.d下的某脚本，而是链接至了/etc/rc.d/rc.local （/etc/rc.local）脚本；因此，不便或不需写为服务脚本的程序期望能开机自动运行时，直接放置于此脚本文件中即可。
tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
... ...
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6
（1）mingetty会调用login程序；
（2）打开虚拟终端的程序除了mingetty之外，还有诸如getty等；
注意：正常级别下，最后启动的一个服务S99local没有链接至/etc/init.d下的某脚本，而是链接至了/etc/rc.d/rc.local （/etc/rc.local）脚本；因此，不便或不需写为服务脚本的程序期望能开机自动运行时，直接放置于此脚本文件中即可。
终端
tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
… …
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6
登陆
（1）mingetty会调用login程序；
（2）打开虚拟终端的程序除了mingetty之外，还有诸如getty等；
系统初始化脚本：/etc/rc.d/rc.sysinit
(1) 设置主机名；
(2) 设置欢迎信息；
(3) 激活udev和selinux；
(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的所有文件系统；
(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) 根据/etc/sysctl.conf文件来设置内核参数；
(8) 激活lvm及软raid设备；
(9) 激活swap设备；
(10) 加载额外设备的驱动程序；
(11) 清理操作；
七.用户空间的启动流程
总结（用户空间的启动流程）： /sbin/init (/etc/inittab)
设置默认运行级别 --> 运行系统初始化脚本，完成系统初始化 --> 关闭对应级别下需要停止的服务，启动对应级别下需要开启的服务--> 设置登录终端 [--> 启动图形终端]
CentOS 6：
init程序：upstart，但依然为/sbin/init，其配置文件：
/etc/init/*.conf, /etc/inittab（仅用于定义默认运行级别）
注意：*.conf为upstart风格的配置文件；
rcS.conf
rc.conf
start-ttys.conf
CentOS 7 ：
init程序：systemd，配置文件：/usr/lib/systemd/system/*, /etc/systemd/system/*
完全兼容SysV脚本机制；因此，service命令依然可用；不过，建议使用systemctl命令来控制服务；
# systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]
博客作业：CentOS系统启动流程；
回顾：
CentOS 6启动流程：
POST --> Boot Sequence(BIOS) --> Boot Loader (MBR) --> Kernel(ramdisk) --> rootfs --> switchroot --> /sbin/init -->(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) --> 设定默认运行级别 --> 系统初始化脚本 --> 关闭或启动对应级别下的服务 --> 启动终端