第19篇：Linux系统启动与引导原理及OpenEuler 24.03实践

Linux系统启动与引导原理及OpenEuler 24.03实践

一、OpenEuler 24.03系统启动全流程解析

1. BIOS/UEFI自检与引导加载

OpenEuler 24.03作为基于Linux内核的企业级操作系统，其启动流程从硬件初始化开始。当计算机通电后，固件（BIOS或UEFI）首先执行加电自检（POST），检测CPU、内存、存储设备等硬件组件的状态。POST过程中，固件会初始化硬件并加载启动管理器。

在传统BIOS模式下，系统从主引导记录（MBR）加载引导程序；而在UEFI模式下，会从EFI系统分区（ESP）读取引导加载程序。OpenEuler 24.03同时支持两种引导模式，推荐使用UEFI以获得更好的安全性和性能。

关键概念解析：

• MBR（主引导记录）：位于磁盘首个扇区（512字节），包含引导程序、分区表和结束标志。在BIOS引导模式下，MBR中的GRUB引导程序负责加载操作系统。
• UEFI（统一可扩展固件接口）：取代传统BIOS的新型固件接口，支持更大容量磁盘、安全启动（Secure Boot）和更快的启动速度。OpenEuler 24.03的UEFI引导程序存储在/boot/efi目录。

2. GRUB2引导程序详解

OpenEuler 24.03默认使用GRUB2（GNU GRand Unified Bootloader 2）作为引导程序，相比传统GRUB具有更强大的功能和扩展性。GRUB2的配置文件位于/etc/grub2.cfg，该文件由grub2-mkconfig命令自动生成，整合了/etc/grub.d/目录下的各个配置片段。

GRUB2启动流程：

1. 阶段1：从MBR或UEFI加载GRUB2的核心引导程序。
2. 阶段1.5：加载磁盘文件系统驱动，以便读取内核和配置文件。
3. 阶段2：加载/boot/grub2/grub.cfg配置文件，显示启动菜单。

GRUB2常用操作（OpenEuler 24.03）：

# 查看GRUB2配置文件
cat /etc/grub2.cfg

# 重新生成GRUB2配置（修改内核参数后需执行）
grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg

# 查看可用的启动项
grub2-editenv list

# UEFI模式下更新引导加载程序
grub2-install --target=x86_64-efi --efi-directory=/boot/efi --bootloader-id=openEuler

3. 内核加载与初始化

GRUB2加载内核映像（/boot/vmlinuz-）和初始内存磁盘（/boot/initramfs-.img）到内存。内核映像包含压缩的内核代码，而initramfs包含早期启动所需的驱动和工具。

内核启动参数解析：
OpenEuler 24.03的内核启动参数可通过/proc/cmdline查看，常见参数包括：

• root=/dev/mapper/：指定根文件系统位置
• ro：以只读方式挂载根文件系统
• crashkernel=auto：预留内核崩溃转储空间
• rd.lvm.lv=：指定LVM逻辑卷
• quiet：静默启动，仅显示关键信息

案例：查看内核启动参数

cat /proc/cmdline
# 输出示例：ro root=/dev/mapper/openeuler-root rd.lvm.lv=openeuler/root rd.lvm.lv=openeuler/swap rhgb quiet

4. systemd初始化进程

与原文档中的Upstart不同，OpenEuler 24.03采用systemd作为初始化系统（init system），它是一个系统和服务管理器，负责启动用户空间服务，是所有进程的父进程（PID 1）。

systemd核心概念：

• 单元（Unit）：systemd管理的基本单位，包括服务（.service）、套接字（.socket）、设备（.device）等。
• 目标（Target）：一组单元的集合，对应传统的运行级别。例如：
  • multi-user.target：多用户文本界面（对应运行级别3）
  • graphical.target：图形界面（对应运行级别5）
  • rescue.target：救援模式
• 依赖关系：systemd支持并行启动，通过定义单元间的依赖关系优化启动时间。

systemd常用命令（OpenEuler 24.03）：

# 查看systemd版本
systemctl --version

# 查看所有单元状态（过滤活跃服务）
systemctl list-units --type=service --state=active

# 查看系统启动时间
systemd-analyze

# 启动/停止/重启服务
systemctl start network.service
systemctl stop firewalld.service
systemctl restart sshd.service

# 设置服务开机自启
systemctl enable httpd.service
systemctl disable nfs.service

# 查看服务日志
journalctl -u httpd.service

# 切换运行目标
systemctl isolate multi-user.target  # 切换到多用户模式
systemctl isolate graphical.target   # 切换到图形模式

5. 系统环境初始化

systemd根据目标（Target）启动相应的服务单元，初始化过程涉及以下关键步骤：

1. 挂载文件系统

• 读取/etc/fstab文件，挂载本地和网络文件系统
• 处理带有noauto选项的文件系统
• 激活LVM逻辑卷和交换分区

2. 启动基础服务

• 网络服务（network.service）
• 日志服务（systemd-journald.service）
• 硬件设备驱动加载
• 安全服务（firewalld.service或iptables）

3. 执行本地初始化脚本
OpenEuler 24.03在/etc/rc.d/rc.local中保留了传统初始化脚本的兼容性，该脚本会在系统启动最后阶段执行。用户可在此添加自定义启动命令。

案例：查看文件系统挂载情况

mount
# 输出示例：
# /dev/mapper/openeuler-root on / type xfs (rw,relatime,attr2,inode64,noquota)
# devtmpfs on /dev type devtmpfs (rw,nosuid,size=1629036k,nr_inodes=407259,mode=755)
# tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)

6. 用户登录与环境加载

系统初始化完成后，会启动登录服务（如getty），等待用户输入凭据。OpenEuler 24.03支持多种登录方式：

1. 命令行登录

• getty服务在tty1-tty6终端启动
• 登录时验证用户凭据（/etc/passwd和/etc/shadow）
• 加载用户环境配置文件（.bash_profile、.bashrc等）

2. 图形界面登录

• GDM（GNOME Display Manager）服务启动图形登录界面
• 支持密码、指纹等多种认证方式

3. 远程登录

• SSH服务（sshd.service）支持远程安全登录
• 支持密钥认证和双因素认证

环境变量加载顺序：

1. 系统级配置：/etc/profile、/etc/bashrc
2. 用户级配置：~/.bash_profile、~/.bashrc
3. 会话级配置：登录时执行的脚本

案例：查看当前用户环境变量

env | sort
# 输出示例：
# HOME=/root
# LANG=en_US.UTF-8
# PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
# PWD=/root
# SHELL=/bin/bash
# USER=root

二、系统启动信息查看与分析

1. dmesg命令详解（OpenEuler 24.03）

dmesg命令用于显示内核环形缓冲区（ring buffer）中的启动信息，这些信息由内核在启动过程中输出，包括硬件检测、驱动加载等关键日志。OpenEuler 24.03中，dmesg的输出与传统Linux系统类似，但支持更丰富的过滤和格式化选项。

dmesg常用选项：

• -c：显示信息后清除环形缓冲区
• -k：仅显示内核日志
• -t：显示时戳
• -T：使用人类可读的时间格式
• -p ：过滤指定日志级别（0-7，0为紧急，7为调试）
• --color：使用颜色标记不同日志级别

案例1：查看完整启动日志

dmesg
# 输出片段：
# [    0.000000] Linux version 5.10.0-190.32.1.openeuler24.03.x86_64 ([email protected]) (gcc (GCC) 10.3.0, GNU ld (GNU Binutils) 2.35.2) #1 SMP Fri Jun 9 15:30:21 UTC 2023
# [    0.000000] Command line: ro root=/dev/mapper/openeuler-root rd.lvm.lv=openeuler/root rd.lvm.lv=openeuler/swap rhgb quiet
# [    0.000000] x86/fpu: Supporting XSAVE feature 0x001: 'x87 floating point registers'
# [    0.000000] x86/fpu: Supporting XSAVE feature 0x002: 'SSE registers'
# [    0.000000] x86/fpu: Supporting XSAVE feature 0x004: 'AVX registers'

案例2：查看带时间戳的日志

dmesg -T
# 输出示例：
# [Sun Jun 16 08:30:21 2024] Linux version 5.10.0-190.32.1.openeuler24.03.x86_64...
# [Sun Jun 16 08:30:22 2024] systemd[1]: Starting System Logging Service...

案例3：过滤网络相关日志

dmesg | grep -i network
# 输出示例：
# [    2.345678] e1000: eth0: Intel(R) PRO/1000 Network Connection
# [    2.567890] IPv6: ADDRCONF(NETDEV_CHANGE): eth0: link becomes ready

2. journalctl命令：现代日志管理

OpenEuler 24.03使用systemd-journald作为系统日志服务，通过journalctl命令可查看包括启动日志在内的所有系统日志，相比dmesg具有更强大的过滤和查询功能。

journalctl常用选项：

• -b：查看当前启动的日志
• -b -1：查看前一次启动的日志
• -u ：查看指定单元的日志
• --since "2024-06-01 00:00:00"：查看指定时间之后的日志
• --until "2024-06-01 12:00:00"：查看指定时间之前的日志
• -p ：过滤日志级别（0-7，同dmesg）
• -f：实时跟踪日志输出

案例1：查看当前启动的所有日志

journalctl -b

案例2：查看systemd启动过程

journalctl -u systemd --no-pager
# 输出示例：
# Jun 16 08:30:21 localhost.localdomain systemd[1]: Starting System and Service Manager...
# Jun 16 08:30:21 localhost.localdomain systemd[1]: Initializing machine ID from random generator.
# Jun 16 08:30:21 localhost.localdomain systemd[1]: Set hostname to .

案例3：实时跟踪网络服务日志

journalctl -u network.service -f

三、主引导扇区与磁盘启动机制

1. MBR主引导扇区结构

在传统BIOS引导模式下，OpenEuler 24.03的磁盘主引导扇区（MBR）结构与标准Linux系统一致，包含以下四个部分：

1. 主引导程序（446字节）：位于扇区0-445字节，负责加载GRUB2或其他引导程序。
2. 分区表（64字节）：包含4个主分区项，每个分区项16字节，记录分区类型、起始位置等信息。
3. 结束标志（2字节）：值为0x55AA，用于标识有效MBR。

MBR结构表：

偏移地址	长度（字节）	内容描述
0x0000	446	主引导程序
0x01BE	64	分区表（4个分区项）
0x01FE	2	结束标志（0x55AA）

2. 操作MBR的实用命令

案例1：备份MBR到文件

# 备份整个MBR（512字节）
dd if=/dev/sda of=/root/mbr.backup bs=512 count=1
# 解释：
# if=/dev/sda：输入设备为第一个磁盘
# of=/root/mbr.backup：输出文件路径
# bs=512：块大小512字节
# count=1：仅读取1块

# 恢复MBR（危险操作，谨慎使用）
dd if=/root/mbr.backup of=/dev/sda bs=512 count=1

案例2：查看MBR十六进制内容

# 使用hexdump命令查看MBR前64字节
hexdump -C /dev/sda | head -n 16
# 输出示例：
# 00000000  eb 3c 90 4d 53 44 4f 53  35 2e 30 00 02 01 01 00  |.<.MSDOS5.0......|
# 00000010  02 e0 00 40 0b f0 09 00  12 00 02 00 00 00 00 00  |...@............|
# 00000020  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
# ...（省略中间内容）
# 000001be  80 01 01 00 02 e0 00 40  0b f0 09 00 12 00 02 00  |.........@......|
# 000001ce  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
# 000001de  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
# 000001ee  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|

3. GPT分区表与UEFI引导

OpenEuler 24.03在UEFI模式下使用GPT（GUID分区表），相比MBR具有以下优势：

• 支持大于2TB的磁盘
• 支持128个主分区
• 包含冗余分区表，提高可靠性

GPT磁盘的引导信息存储在EFI系统分区（ESP），通常为FAT32格式，位于/boot/efi目录。UEFI引导程序（如grubx64.efi）存储在ESP中，由UEFI固件直接加载。

查看GPT分区表：

# 使用gdisk工具查看GPT分区
gdisk -l /dev/sda
# 输出示例：
# GPT fdisk (gdisk) version 1.0.5
# 
# Partition table scan:
#   MBR: protective
#   BSD: not present
#   APM: not present
#   GPT: present
# 
# Found valid GPT with protective MBR; using GPT.
# Disk /dev/sda: 209715200 sectors, 100.0 GiB
# Sector size (logical/physical): 512/512 bytes
# Disk identifier (GUID): XXXXXXXX-XXXX-XXXX-XXXX-XXXXXXXXXXXX
# Partition table holds up to 128 entries
# Main partition table begins at sector 2 and ends at sector 33
# First usable sector is 34, last usable sector is 209715166
# Partitions will be aligned on 2048-sector boundaries
# Total free space is 2048 sectors (1.0 MiB)
# 
# Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name
#    1            2048         4194303   2.0 GiB     EF00  EFI System
#    2         4194304        4398591   100.0 MiB   8200  Linux swap
#    3         4398592      209713151   98.0 GiB    8300  Linux filesystem

四、OpenEuler 24.03的systemd初始化系统

1. systemd与传统init系统的对比

OpenEuler 24.03采用systemd作为初始化系统，替代了传统的sysvinit和Upstart，主要优势包括：

特性	systemd	sysvinit	Upstart
启动模式	并行启动，依赖关系管理	串行启动	事件驱动，部分并行
单元类型	服务、套接字、设备等多种类型	仅服务	作业（Job）
启动速度	极快（毫秒级启动）	慢	较快
依赖管理	显式定义依赖关系	无依赖管理	事件触发
日志系统	统一日志（journald）	分散日志	分散日志

2. systemd单元配置文件详解

systemd单元配置文件位于/usr/lib/systemd/system/和/etc/systemd/system/目录，后者优先级高于前者。用户可通过修改或创建配置文件来自定义服务行为。

单元文件结构：

[Unit]
Description=HTTP Server
After=network.target remote-fs.target
Wants=network-online.target

[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
ExecReload=/usr/sbin/httpd -k graceful
ExecStop=/usr/sbin/httpd -k stop
Restart=on-failure
User=apache
Group=apache
EnvironmentFile=/etc/sysconfig/httpd

[Install]
WantedBy=multi-user.target

关键段说明：

• [Unit]：定义单元描述和依赖关系
• [Service]：定义服务启动、停止、重启命令和运行参数
• [Install]：定义单元安装目标（如WantedBy指定加入哪个目标）

3. systemd目标（Target）管理

systemd使用目标（Target）替代传统运行级别，常见目标如下：

目标名称	等价运行级别	说明
default.target	5	默认目标，通常为图形界面
multi-user.target	3	多用户文本界面
graphical.target	5	图形界面
rescue.target	1	救援模式
emergency.target	0	紧急模式（单用户）
shutdown.target	6	关机
reboot.target	6	重启

案例：查看当前目标

systemctl get-default
# 输出示例：graphical.target

案例：切换到多用户模式

systemctl isolate multi-user.target
# 或
systemctl set-default multi-user.target

五、系统与用户环境配置文件

1. 系统级环境配置文件

OpenEuler 24.03的系统级环境配置文件位于/etc/目录，对所有用户生效，加载顺序如下：

1. /etc/profile：用户登录时执行，设置全局环境变量，调用/etc/profile.d/下的脚本。
2. /etc/bashrc：bash shell启动时执行，设置shell函数和别名。

/etc/profile关键内容解析：

# 定义PATH环境变量
PATH=$PATH:$HOME/bin
export PATH

# 加载语言环境
if [ -f /etc/locale.conf ]; then
    . /etc/locale.conf
elif [ -z "$LANG" -a -f /etc/default/locale ]; then
    . /etc/default/locale
    if [ -z "$LANG" ]; then
        LANG=en_US.UTF-8
    fi
fi
export LANG

# 调用profile.d目录下的脚本
for i in /etc/profile.d/*.sh; do
    if [ -r $i ]; then
        . $i
    fi
done
unset i

2. 用户级环境配置文件

每个用户的家目录下包含以下环境配置文件，仅对当前用户生效：

1. ~/.bash_profile：交互式登录时执行，设置用户专属环境变量，调用~/.bashrc。
2. ~/.bashrc：交互式非登录shell启动时执行，设置shell函数和别名。
3. ~/.bash_logout：用户登出时执行，清理环境。

~/.bash_profile示例：

# 加载bashrc
if [ -f ~/.bashrc ]; then
    . ~/.bashrc
fi

# 设置个人PATH
PATH=$PATH:$HOME/bin
export PATH

# 设置Java环境变量
export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-11-openjdk
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

3. 环境变量生效与调试

使环境变量立即生效：

# 重新加载系统profile
source /etc/profile

# 重新加载用户profile
source ~/.bash_profile

调试环境变量加载：

# 启动bash时显示所有执行的脚本
bash -x

# 查看环境变量加载顺序
env | sort

六、OpenEuler 24.03启动优化实践

1. 启动时间分析

systemd提供了强大的启动时间分析工具，可帮助定位启动瓶颈：

案例1：查看总体启动时间

systemd-analyze
# 输出示例：
# Startup finished in 1.234s (kernel) + 3.456s (userspace) = 4.690s
# graphical.target reached after 3.210s in userspace

案例2：查看各单元启动耗时

systemd-analyze blame
# 输出示例：
#         1.234s network.service
#         0.876s sshd.service
#         0.543s firewalld.service
#         0.321s chronyd.service

案例3：生成启动时间可视化图表

systemd-analyze plot > boot-time.svg
# 在浏览器中打开boot-time.svg查看可视化图表

2. 优化启动服务

通过禁用不必要的服务可显著加快启动速度：

案例：禁用不常用服务

# 查看所有开机自启服务
systemctl list-unit-files --state=enabled | grep .service

# 禁用DNS缓存服务（如无需本地DNS）
systemctl disable systemd-resolved.service

# 禁用蓝牙服务（如无蓝牙设备）
systemctl disable bluetooth.service

# 禁用打印服务（如无打印机）
systemctl disable cups.service

3. 内核参数优化

修改/etc/default/grub中的内核参数可优化启动过程：

案例：优化grub配置

# 编辑grub配置
vi /etc/default/grub

# 优化参数示例（添加到GRUB_CMDLINE_LINUX行）
GRUB_CMDLINE_LINUX="rhgb quiet elevator=deadline numa=off"

# 重新生成grub配置
grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg

总结

OpenEuler 24.03的启动与引导流程融合了现代Linux系统的最佳实践，从BIOS/UEFI自检到systemd初始化，每个环节都经过精心设计以确保稳定性和性能。通过深入理解启动流程和掌握systemd管理工具，系统管理员可更好地维护和优化OpenEuler系统，实现快速启动和稳定运行。

（如无蓝牙设备）
systemctl disable bluetooth.service

禁用打印服务（如无打印机）

systemctl disable cups.service

### 3. 内核参数优化

修改`/etc/default/grub`中的内核参数可优化启动过程：

**案例：优化grub配置**
```bash
# 编辑grub配置
vi /etc/default/grub

# 优化参数示例（添加到GRUB_CMDLINE_LINUX行）
GRUB_CMDLINE_LINUX="rhgb quiet elevator=deadline numa=off"

# 重新生成grub配置
grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg

总结

OpenEuler 24.03的启动与引导流程融合了现代Linux系统的最佳实践，从BIOS/UEFI自检到systemd初始化，每个环节都经过精心设计以确保稳定性和性能。通过深入理解启动流程和掌握systemd管理工具，系统管理员可更好地维护和优化OpenEuler系统，实现快速启动和稳定运行。

在日常管理中，熟练使用systemctl、journalctl等工具进行服务管理和日志分析，结合环境配置文件的合理设置，能够有效提升系统管理效率，为企业应用提供坚实的底层平台支持。