20260410 系统启动原理

系统启动原理

一、系统启动过程

从接通电源到系统呈现登录提示符，需硬件初始化、固件引导、内核加载、系统初始化等多环节配合。

以下从宏观层面梳理 CentOS 7 完整启动流程：

1. 计算机接通电源后，系统固件（UEFI 或传统 BIOS）首先执行开机自检（POST），检测 CPU、内存、硬盘等核心硬件是否正常。

   • 配置说明：启动早期按特定快捷键（如 F2）可进入固件配置界面，调整启动顺序、硬件参数等。

2. 固件按配置的启动顺序搜索启动设备，读取磁盘主启动记录（MBR）中的引导加载器（CentOS 7 默认为 GRUB2），并将系统控制权移交 GRUB2。

   • 配置说明：通过 grub2-install 命令可将 GRUB2 安装为磁盘默认启动加载器。

3. GRUB2 读取 /boot/grub2/grub.cfg 配置文件，显示操作系统选择菜单。

   • **配置说明：**不可直接编辑 grub.cfg，需通过修改 /etc/grub.d/ 目录下的脚本、/etc/default/grub 配置文件，再执行 grub2-mkconfig 命令生成新的 grub.cfg。

4. 引导加载器根据选中的启动项，从磁盘加载内核（vmlinuz）和 initramfs 到内存，并将内核参数、initramfs 内存地址传递给内核。

   • initramfs 是临时内存文件系统，包含启动所需的硬件驱动、初始化脚本等，内核通过它完成硬件初始化。

   • 配置说明：通过 /etc/dracut.conf.d/ 目录、dracut 命令生成 initramfs，lsinitrd 命令可查看 initramfs 内容。

5. initramfs 执行 /sbin/init（CentOS 7 中该文件为 systemd 的软链接），作为系统首个进程（PID 1）。

   • **配置说明：**可通过内核参数 init=command 指定自定义初始化程序。

6. systemd 加载内核命令行指定的 target，或系统默认的 default.target（通常为文本/图形登录界面）。

   • **配置说明：**通过 systemctl 命令设置默认 target（如 systemctl set-default multi-user.target）。

7. default.target 依赖 sysinit.target，该 target 完成系统基础初始化：读取 /etc/fstab 挂载文件系统、激活日志服务（systemd-journald）等。

   • **配置说明：**通过 /etc/fstab 配置文件设置文件系统开机自动挂载规则。

8. default.target 激活所有配置为开机自启的 systemd 单元（如服务、定时器等）。

   • **配置说明：**通过 systemctl enable <服务名> 设置服务开机自启。

9. default.target 激活 getty.target，打开 tty1 终端，提供用户登录入口。

二、 系统 target 机制

目录和子目录、子文件之间关系：目录包含子目录和子文件。

• service一个服务，例如sshd，提供远程执行命令、复制文件。

• target 是一个可以包含service、time等对象的特殊unit。systemctl start target，激活该target包含的所有对象。

systemd 以 target 类型单元对各类系统单元（服务、挂载、设备等）进行分组管理，target 可嵌套依赖，形成层级化的启动逻辑。

# 查看 graphical.target 的直接/间接依赖
[root@centos7 ~]# systemctl list-dependencies graphical.target
graphical.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
......

[root@centos7 ~]# systemctl list-dependencies multi-user.target 
multi-user.target
● ├─abrt-ccpp.service
● ├─abrt-oops.service
● ├─abrt-vmcore.service
● ├─abrt-xorg.service
● ├─abrtd.service
● ├─atd.service
......

# 查看 sshd.service 的反向依赖（哪些 target 依赖该服务）
[root@centos7 ~]# systemctl list-dependencies sshd.service --reverse 
sshd.service
● └─multi-user.target
●   └─graphical.target

传统 SysVinit 定义 7 个运行级别（0-6），CentOS 7 虽使用 systemd，但仍保留对运行级别的兼容映射，具体如下：

三、系统运行目标配置

切换当前系统的运行 target：

# 切换为文本界面（multi-user.target）
[root@centos7 ~ 13:59:31]# systemctl isolate multi-user.target

# 切换为图形界面（graphical.target）
[root@centos7 ~ 14:01:50]# systemctl isolate graphical.target 

设置系统启动默认 target：

# 查看当前默认 target
[root@centos7 ~ 14:02:10]# systemctl get-default 
graphical.target

# 设置默认 target 为 multi-user.target（文本界面）
[root@centos7 ~ 14:02:50]# systemctl set-default multi-user.target
# 重启系统验证配置
[root@centos7 ~ 14:03:01]# reboot

四、ROOT 密码重置

4.1重启系统，中断 GRUB2 菜单倒计时，选中第一个内核条目并按 e 编辑

4.2定位到 linux16 开头的行，行尾添加 rd.break（在 initramfs 移交控制权前中断），按 Ctrl+x 启动。

# 1.系统进入 root shell，此时根文件系统（/sysroot）为只读挂载，重新挂载为读写：

bash switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot

# 2.切换根目录到 /sysroot（实际系统根目录）：
bash switch_root:/# chroot /sysroot

# 3.设置新 root 密码（将 password 替换为自定义密码）：
bash sh-4.2# echo password | passwd --stdin root

# 4.若启用 SELinux，需触发文件重新打标（否则密码修改可能失效）：
bash sh-4.2# touch /.autorelabel

# 5.退出 chroot 环境并继续启动：
bash sh-4.2# exit switch_root:/# exit

# 6.系统重启后，使用新密码登录 root 验证。

五、/etc/fstab 配置故障排查

/etc/fstab 用于定义文件系统开机自动挂载规则，配置错误会导致系统启动异常，以下为常见故障及修复方法。

5.1环境准备（模拟故障前的正常配置）

# 为 /dev/sdb 创建 MBR 分区表
[root@centos7 ~ 14:03:20]# parted /dev/sdb mklabel msdos

# 创建 10GB 主分区
[root@centos7 ~ 14:03:41]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart primary 1 10241

# 格式化为 XFS 文件系统
[root@centos7 ~ 14:03:44]# mkfs.xfs /dev/sdb1

# 创建挂载点
[root@centos7 ~ 14:03:52]# mkdir /data01

# 添加 fstab 持久化挂载规则
[root@centos7 ~ 14:04:01]# echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0' >> /etc/fstab

# 挂载并验证
[root@centos7 ~ 14:04:16]# mount -a
[root@centos7 ~ 14:04:28]# df -h /data01
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1        10G   33M   10G    1% /data01

5.2 故障 2：设备名称错误/设备不存在

模拟故障：修改 fstab 中设备名（如 sdb1 → sdb2）：

[root@centos7 ~ 14:05:07]# vim /etc/fstab
/dev/sdb2 /data01 xfs defaults 0 0

**故障现象：**启动时无法找到 /dev/sdb2，超时（90秒）后进入 emergency 模式。

**修复方法：**在 emergency 模式下，编辑 /etc/fstab 修正设备名或注释错误条目，输入 exit 继续启动。