Linux系統運行級與啟動機制剖析

 

原文作者：技術成就夢想

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一 系統運行級
windows系統有安全運行模式和正常運行模式，這是兩個不同的運行級，同樣，linux也有系統運行層級，並且linux系統的運行層級更加靈活，更加多樣化。
在講述運行層級前，先講述下linux下的init程式，因為init程式直接和系統運行層級相關聯， init程式是linux作業系統最主要的程式之一，是一個由系統核心啟動的使用者級進程，同時init進程也是所有其它系統進程的鼻祖，也就是說init 進程是系統啟動並執行第一個進程，它的進程號始終為1。
linux系統有7個運行層級，這些運行層級均在/etc/inittab檔案中指定，下面講述/etc/inittab檔案的具體實現。
以redhat linux為例，下面是/etc/inittab的某段資訊。
# 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 have networking)
#   3 - Full multiuser mode
#   4 - unused
#   5 - X11
#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
上面這段資訊列出了linux系統的7個運行等級：
0-關機模式，
1-單一使用者模式，單使用者只有系統管理員可以登入。
2-多使用者模式，但是不支援檔案分享權限設定，例如不支援NFS服務.這種模式不常用。
3-完全的多使用者模式，支援NFS服務.最常用的使用者模式，預設登入到系統的字元介面。
4-基本不用的使用者模式，可以實現某些特定的登入請求。
5-完全多使用者模式，預設登入到X-window系統，也就是登入到linux圖形介面。
6-重啟模式，也就是執行關閉所有啟動並執行進程，然後重新啟動系統。
這些運行層級和linux中的init程式相互對應，例如執行init 1系統就進入單一使用者模式，執行init 6系統將重新啟動。
在inittab檔案中以#開頭的所有行都是注釋行。注釋行有助於使用者理解inittab檔案每項的具體含義，inittab檔案中的值都有如下格式組成：
    label:runlevel:action:process
1．label欄位
label是有1~4個字元組成的標籤，用來標示輸入的值。一些系統只支援2個字元的標籤。鑒於此原因，多數人都將標籤字元的個數限制在2個以內。該標籤可以是任一字元構成的字串，在Red Hat Linux中使用的標籤有：

2．runlevel欄位
runlevel欄位指定系統的運行層級。可以指定多個運行層級，也可以不為runlevel欄位指定特定的值。
3． process欄位
process欄位包含了init執行的進程，也就是init程式具體要執行的命令，該進程採用的格式與在命令列下運行該進程的格式一樣，因此 process欄位都以該進程的名字開頭，後面是運行時要傳遞給該進程的參數。比如/sbin/shutdown -t3 -r now。
4．action欄位
    action欄位定義了：當系統進入相應的運行層級後，init程式應該以何種方式運行process欄位對應的命令，action欄位常用的值如下表所示：

明白了inittab檔案的格式以後，我們就知道每項的含義了， 接著看/etc/inittab下面的內容：
id:5:initdefault:
表示系統將預設啟動到X-window介面下，如果我們想讓系統預設開機啟動到字元介面下，只需修改id:5:initdefault:為id:3:initdefault:即可。
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
該段告訴init程式，運行/etc/rc.d/rc.sysinit來進行系統初始化工作。
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
上面這段資訊標明/etc/rc.d/rc可以運行在0~6各個運行層級，同時init程式等待/etc/rc.d/rc執行完畢才進入下一步操作。
# Trap CTRL-ALT-DELETE
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
上面這段指定了當Ctrl+Alt+Del三個鍵同步選取時，init程式將執行/sbin/shutdown -t3 -r now，即重啟系統。
# When our UPS tells us power has failed， assume we have a few minutes
# of power left.  Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
# This does， of course， assume you have powerd installed and your
# UPS connected and working correctly. 
pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
上面這段資訊說明了:系統電源被切斷時，UPS通知init程式，init程式發出"Power Failure；System Shutting Down"訊號，然後執行關機操作。
# If power was restored before the shutdown kicked in， cancel it.
pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
這段說明了：UPS接到電源恢複訊號後，通知init進程，然後init程式發出"Power Restored; Shutdown Cancelled"訊號，取消關機操作，這個過程在1~5運行層級上有效。
# Run gettys in standard runlevels
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
這段資訊說明了:在2~5運行層級上，始終開啟6個終端控制台，即使某個控制台被關閉，系統也會自動啟動。
# Run xdm in runlevel 5
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm –nodaemon
最後這段資訊表明，在X-window案頭下始終啟動並執行進程是/etc/X11/prefdm。

 

二  系統啟動過程
1．核心引導
 開啟系統電源，開始BIOS自檢，系統按照BIOS裡的設定啟動裝置(一般是硬碟啟動)， 接著進入linux引導程式，一般Linux系統提供兩種引導方式: GRUB和LOLO，其中GRUB是大多數Linux系統的預設引導方式，而LILO則是根據一些特殊需求或個人喜好而準備的，一旦linux引導程式載 入記憶體，它顯示一個圖形介面給使用者，這個介面裡包含了不同的核心選項，使用者可以通過上下鍵去選擇不同的核心引導，當引導程式成功完成引導後，linux接 管了對CPU的控制權，接著CPU開始執行linux核心映像程式，載入核心， 在預定的地方找到initrd鏡像的壓縮包，對它進行解壓和掛載，並載入所有必須的驅動， 然後，Kernel會建立root裝置，以唯讀方式掛載root分區，並釋放所有沒有被使用的記憶體，此時，Kernel已經被裝載到記憶體裡運行起來了。但 是，因為沒有使用者應用程式允許輸入有意義的指令給系統，所以此時的系統不能做任何事情。
2．運行init
init進程是系統所有進程的起點， 緊接上面，Linux在完成核內引導以後，就開始運行init程式，init程式需要讀取設定檔/etc/inittab，而inittab是一個不可執行檔文字檔，關於這個檔案，我們將在”系統運行級”一節詳細講述。
3．系統初始化
init程式啟動後首先調用rc.sysinit和rc程式， rc.sysinit主要完成一些系統初始化的工作，它是系統每一個運行層級都要首先啟動並執行重要指令碼。它主要完成的工作有：檢查磁碟，載入硬體模組， 啟用交換分區，以及其它一些需要優先執行任務，當rc.sysinit程式執行完畢，引導返回到init程式。
4．啟動運行級的守護進程
rc.sysinit程式執行完畢，接下來，rc程式啟動， rc程式主要啟動系統對應運行層級的守護進程， rc程式執行完畢，又將返回init程式繼續下一步。
5．建立終端
此時系統基本環境已經設定好了，init程式接著會開啟6個終端，以便使用者登入。
6．登入系統
當我們看到mingetty的登入介面時，我們就可以輸入使用者名稱和密碼登入系統了。Linux的帳號驗證程式是login，當login程式執行成功後，最後就進入了shell終端。
這樣linux系統就完成了從開機到啟動的整個過程。
 

三  系統關機過程
在瞭解linux關機過程之前，我們先學習一下linux關機的一些常用命令，最常用的linux關機命令有如下幾個:init ，shutdown， halt，reboot等，這些命令都可以達到關機重啟的目的，但是每個命令的內部工作過程是不同的。我們通過對關機命令的講述，詳細瞭解linux安全 關機的過程。
1．shutdown命令
使用shutdown命令可以安全的關閉linux系統，有些linux初學者會使用直接關閉電源的方法來關閉linux，這是十分危險的，因為 linux與windows不同，在linux後台運行著很多進程，這些進程式控制制著linux對系統的各種操作，如果強制關機，可能會造成進程的混亂以至 遺失資料，如果在系統工作負載很高的情況下，突然斷電，不但會遺失資料，甚至會損壞硬體裝置。
shutdown命令是用shell編寫的程式，必須由超級使用者才能執行，shutdown命令執行後，會以廣播的形式通知正在系統中工作的所有使用者，系 統將在指定的時間內關閉，請儲存檔案，停止作業，登出使用者;此時login指令被凍結，新的使用者不能登入;當所有的使用者從系統中登出或者指定時間已到 時，shutdown就發送訊號給init程式，要求init程式改變系統運行層級，接著，init程式根據shutdown指令傳遞過來的參數，相應的 改變運行級，例如，shutdown指定的參數是關機命令的話，init程式就執行init 0進行關機，如果shutdown指定的參數是要重啟系統，那麼init程式就執行init 6進行系統重啟。
 shutdown命令的詳細文法：
shutdown [-fFhknrc(參數名稱)] [-t 秒數] 時間 [警告資訊]
具體各參數功能：
-f 重新啟動時不執行fsck(註：fsck是Linux下的一個檢查和修複檔案系統的程式，我們會在以後章節詳細講述)。
-F 重新啟動時執行fsck。
-h 將系統關機，在某種程度上功能與halt命令相當。
-k 只是送出資訊給所有使用者，但並不會真正關機。
-n 不調用init程式關機，而是由shutdown自己進行(一般關機程式是由shutdown調用init來實現關機動作)，使用此參數將加快關機速度，但是不建議使用者使用此種關機方式。
-r shutdown之後重新啟動系統。
-c 取消前一個shutdown命令。例如，當執行一個如“shutdown -h 15:30”的命令時，只要按“Ctrl+C”鍵就可以中斷關機的命令。而執行如“shutdown -h 15:30 & ” 的 命 令 就將 shutdown轉到後台運行了，此時，就需要使用shutdown -c將前一個shutdown命令取消。
-t<秒數> 送出警告資訊和關機訊號之間要延遲多少秒。警告資訊將提醒使用者儲存當前進行的工作。
[時間] 設定多久時間後執行shutdown命令。時間參數有hh：mm或+m兩種模式。
hh：mm格式表示在幾點幾分執行shutdown命令。例如 “shutdown 16:50”表示將在16:50執行shutdown， +m表示m分鐘後執行shutdown， 比較特別的用法是以now表示立即執行shutdown， 值得注意的是這部分參數不能省略。
[警告資訊] 要傳送給所有登入使用者的資訊。
 應用舉例:
立即關機重啟:shutdown –r now
立即關機:shutdown –h now
設定5分鐘後關機，同時發出警告資訊給登入的linux使用者:
shutdown +5  “System will shutdown after 5 minutes”
2．halt命令
halt是最簡單的關機命令，相當於shutdown –h組合，halt執行時，kill掉多有應用程式，然後調用系統指令sync，sync將所有記憶體資訊通過檔案系統寫入硬碟，然後停止核心。
halt命令的部分參數如下：
[-f] 沒有調用shutdown而強制關機或重啟。
[-i] 關機或重新啟動之前，關掉所有的網路介面。
[-p] 關機時調用poweroff，此選項為預設選項。
3．reboot命令
reboot命令的執行過程與halt基本類似，不同的是halt是用於關機，而reboot是關機後引發系統重啟。
4．init命令
init進程是所有進程的鼻祖，其進程號始終為1，init程式主要用於系統不同運行級之間的切換，切換的工作是立即完成的，例如init 0就是將系統運行級切換到0，也就是關機，init 6命令用於將系統運行層級切換到6，也就是重啟系統。

 

 

完！