10. 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。从加电状态开始，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 CentOS7 启动过程。

  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/ 用录、dracut 命令和 lsinitrd 命令进行配置，以检查
​ initramfs 文件。

  1. initramfs 执行/sbin/init，作为PID 1。在CentOS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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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@centos7 ~]# 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......# 查看反向依赖[root@centos7 ~]# systemctl list-dependencies sshd.service --reversesshd.service ● └─multi-user.target ● └─graphical.target

系统启动级别

传统的 SysVinit 系统定义了 7 个运行级别（0-6），每个级别有特定的作用，具体如下：

运行级别target作用描述
0关机（halt）：系统终止所有进程并关闭电源，对应命
令 shutdown -h now 。
1emergency.target
rescue.target		单用户模式（single user mode）：仅 root 用户可登
录，无网络服务，用于系统修复（如密码找回）。
2多用户模式（无 NFS）：支持多用户登录，但不启动网
络文件系统（NFS），部分发行版（如 Debian）默认
此级别功能与级别 3 相同。
3multi-user.target完全多用户模式（文本界面）：启动所有网络服务，用
户通过命令行登录，无图形界面。
4预留级别：默认未使用，可由用户自定义用途。
5graphical.target图形化多用户模式：在级别 3 的基础上启动图形界面
（如 GNOME、KDE），用户通过图形登录界面访问系
统。
6重启（reboot）：系统终止所有进程并重启，对应命令
shutdown -r now 。

设置系统运行目标

/etc/inittab文件是CentOS 6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 havenetworking)# 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@centos7 ~]# systemctl isolate multi-user.target# 设置系统当前运行target为graphical.target[root@centos7 ~]# 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@centos7 ~]# systemctl get-defaultgraphical.target# 设置系统开机默认运行target[root@centos7 ~]# systemctl set-default multi-user.target# 重启验证

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. 按任意键中断启动加载器菜单倒计时（Enter除外，它用于执行正常启动）。
  3. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。

  1. 将光标移至以linux16开头的行，末尾附加systemd.unit=target.target。例如，
    systemd.unit=multi-user.target。按 Ctrl+x 使用这些更改进行启动。

重置 ROOT 密码

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CentOS 7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

  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. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。

  1. 将光标移至以 linux16 开头的行，末尾附加 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。按Ctrl+x进行启动。

  1. 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。
    以读/写形式重新挂载/sysroot。
switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot
  1. 切换root位置，把/sysroot做为文件系统树的根。
switch_root:/# chroot /sysroot
  1. 设置新root密码。
sh-4.2# echo password | passwd --stdin root

==提示：==password 是用户自定义密码。

  1. 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
  1. 执行以下命令，系统将继续启动。如果系统开启了SELinux功能，还需要执行完整的
    SELinux 重新标记，然后再次重新启动。
sh-4.2# exitswitch_root:/# exit
  1. 登录验证。

方法2：init=/bin/bash

  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. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。
  4. 将光标移至以 linux16 开头的行，末尾附加 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。按Ctrl+x使用这
    些更改进行启动。
  5. 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/。以读/写形式重
    新挂载/。
bash-4.2# mount -o remount,rw /
  1. 使用以下命令删除root密码，等进入系统后再重新设置root密码。
sh-4.2# passwd -d root

此时还可以使用vi编辑器直接编辑/etc/shadow文件，复制已知用户的密码记录替换
root密码。

  1. 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
  1. 执行以下命令，系统将继续启动。如果系统开启了SELinux功能，还需要执行完整的
    SELinux 重新标记，然后再次重新启动。
sh-4.2# exec /usr/lib/systemd/systemd
  1. 使用root登录，此时不需要密码。

/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@centos7 ~]# parted /dev/sdb mklabel msdos# 创建分区[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart primary 1 10241# 格式化为xfs文件系统[root@centos7 ~]# mkfs.xfs /dev/sdb1# 创建挂载点[root@centos7 ~]# mkdir /data01# 设置持久化挂载[root@centos7 ~]# echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0' >>/etc/fstab# 挂载并验证[root@centos7 ~]# mount -a[root@centos7 ~]# 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@centos7 ~]# umount /data01[root@centos7 ~]# 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@centos7 ~]# 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@centos7 ~]# 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，进行修复。
    修改为正确的值或者注释该条目，确保系统正常启动。
  3. 然后输入exit，继续启动。

故障3：破坏文件系统

环境准备

[root@centos7 ~]# 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。

  1. 输入root 密码进入emergency 模式。
# 执行以下命令修复[root@centos7 ~]# xfs_repair /dev/sdb1

it，继续启动。

故障3：破坏文件系统

环境准备

[root@centos7 ~]# 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。

[外链图片转存中…(img-EvhLSUhj-1767872130507)]

  1. 输入root 密码进入emergency 模式。
# 执行以下命令修复[root@centos7 ~]# xfs_repair /dev/sdb1

修复完成后，输入 exit 正常启动系统。

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