Centos 系统运行级与启动机制剖析

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一 系统运行级
windows系统有安全运行模式和正常运行模式,这是两个不同的运行级,同样,linux也有系统运行级别,并且linux系统的运行级别更加灵活,更加多样化。
在讲述运行级别前,先讲述下linux下的init程序,因为init程序直接和系统运行级别相关联, init程序是linux操作系统最主要的程序之一,是一个由系统内核启动的用户级进程,同时init进程也是所有其它系统进程的鼻祖,也就是说init进程是系统运行的第一个进程,它的进程号始终为1。
linux系统有7个运行级别,这些运行级别均在/etc/inittab文件中指定,下面讲述/etc/inittab文件的具体实现。
以redhat linux为例,下面是/etc/inittab的某段信息。
# 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)
上面这段信息列出了linux系统的7个运行等级:
0-关机模式,
1-单用户模式,单用户只有系统管理员可以登录。
2-多用户模式,但是不支持文件共享,例如不支持NFS服务.这种模式不常用。
3-完全的多用户模式,支持NFS服务.最常用的用户模式,默认登录到系统的字符界面。
4-基本不用的用户模式,可以实现某些特定的登录请求。
5-完全多用户模式,默认登录到X-window系统,也就是登录到linux图形界面。
6-重启模式,也就是执行关闭所有运行的进程,然后重新启动系统。
这些运行级别和linux中的init程序相互对应,例如执行init 1系统就进入单用户模式,执行init 6系统将重新启动。
在inittab文件中以#开头的所有行都是注释行。注释行有助于用户理解inittab文件每项的具体含义,inittab文件中的值都有如下格式组成:
label:runlevel:action:process
1.label字段
label是有1~4个字符组成的标签,用来标示输入的值。一些系统只支持2个字符的标签。鉴于此原因,多数人都将标签字符的个数限制在2个以内。该标签可以是任意字符构成的字符串,在Red Hat Linux中使用的标签有:

Centos 系统运行级与启动机制剖析


2.runlevel字段
runlevel字段指定系统的运行级别。可以指定多个运行级别,也可以不为runlevel字段指定特定的值。
3. process字段
process字段包含了init执行的进程,也就是init程序具体要执行的命令,该进程采用的格式与在命令行下运行该进程的格式一样,因此process字段都以该进程的名字开头,后面是运行时要传递给该进程的参数。比如/sbin/shutdown -t3 -r now。
4.action字段
action字段定义了:当系统进入相应的运行级别后,init程序应该以何种方式运行process字段对应的命令,action字段常用的值如下表所示:

Centos 系统运行级与启动机制剖析


明白了inittab文件的格式以后,我们就知道每项的含义了, 接着看/etc/inittab下面的内容:
id:5:initdefault:
表示系统将默认启动到X-window界面下,如果我们想让系统默认开机启动到字符界面下,只需修改id:5:initdefault:为id:3:initdefault:即可。
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
该段告诉init程序,运行/etc/rc.d/rc.sysinit来进行系统初始化工作。
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
上面这段信息标明/etc/rc.d/rc可以运行在0~6各个运行级别,同时init程序等待/etc/rc.d/rc执行完毕才进入下一步操作。
# Trap CTRL-ALT-DELETE
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
上面这段指定了当Ctrl+Alt+Del三个键同时按下时,init程序将执行/sbin/shutdown -t3 -r now,即重启系统。
# 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"
上面这段信息说明了:系统电源被切断时,UPS通知init程序,init程序发出"Power Failure;System Shutting Down"信号,然后执行关机操作。
# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
这段说明了:UPS接到电源恢复信号后,通知init进程,然后init程序发出"Power Restored; Shutdown Cancelled"信号,取消关机操作,这个过程在1~5运行级别上有效。
# 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
这段信息说明了:在2~5运行级别上,始终打开6个终端控制台,即使某个控制台被关闭,系统也会自动启动。
# Run xdm in runlevel 5
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm ?nodaemon
最后这段信息表明,在X-window桌面下始终运行的进程是/etc/X11/prefdm。

二 系统启动过程


1.内核引导
打开系统电源,开始BIOS自检,系统按照BIOS里的设置启动设备(一般是硬盘启动), 接着进入linux引导程序,一般Linux系统提供两种引导方式: GRUB和LOLO,其中GRUB是大多数Linux系统的默认引导方式,而LILO则是根据一些特殊需求或个人喜好而准备的,一旦linux引导程序载入内存,它显示一个图形界面给用户,这个界面里包含了不同的内核选项,用户可以通过上下键去选择不同的内核引导,当引导程序成功完成引导后,linux接管了对CPU的控制权,接着CPU开始执行linux内核映像程序,加载内核, 在预定的地方找到initrd镜像的压缩包,对它进行解压和挂载,并载入所有必须的驱动, 然后,Kernel会创建root设备,以只读方式挂载root分区,并释放所有没有被使用的内存,此时,Kernel已经被装载到内存里运行起来了。但是,因为没有用户应用程序允许输入有意义的指令给系统,所以此时的系统不能做任何事情。
2.运行init
init进程是系统所有进程的起点, 紧接上面,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,init程序需要读取配置文件/etc/inittab,而inittab是一个不可执行的文本文件,关于这个文件,我们将在”系统运行级”一节详细讲述。
3.系统初始化
init程序启动后首先调用rc.sysinit和rc程序, rc.sysinit主要完成一些系统初始化的工作,它是系统每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:检查磁盘,加载硬件模块, 激活交换分区,以及其它一些需要优先执行任务,当rc.sysinit程序执行完毕,引导返回到init程序。
4.启动运行级的守护进程
rc.sysinit程序执行完毕,接下来,rc程序启动, rc程序主要启动系统对应运行级别的守护进程, rc程序执行完毕,又将返回init程序继续下一步。
5.建立终端
此时系统基本环境已经设置好了,init程序接着会打开6个终端,以便用户登录。
6.登录系统
当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码登录系统了。Linux的账号验证程序是login,当login程序执行成功后,最后就进入了shell终端。
这样linux系统就完成了从开机到启动的整个过程。

三 系统关机过程


在了解linux关机过程之前,我们先学习一下linux关机的一些常用命令,最常用的linux关机命令有如下几个:init ,shutdown, halt,reboot等,这些命令都可以达到关机重启的目的,但是每个命令的内部工作过程是不同的。我们通过对关机命令的讲述,详细了解linux安全关机的过程。
1.shutdown命令
使用shutdown命令可以安全的关闭linux系统,有些linux初学者会使用直接关闭电源的方法来关闭linux,这是十分危险的,因为linux与windows不同,在linux后台运行着很多进程,这些进程控制着linux对系统的各种操作,如果强制关机,可能会造成进程的混乱以至丢失数据,如果在系统工作负荷很高的情况下,突然断电,不但会丢失数据,甚至会损坏硬件设备。
shutdown命令是用shell编写的程序,必须由超级用户才能执行,shutdown命令执行后,会以广播的形式通知正在系统中工作的所有用户,系统将在指定的时间内关闭,请保存文件,停止作业,注销用户;此时login指令被冻结,新的用户不能登录;当所有的用户从系统中注销或者指定时间已到时,shutdown就发送信号给init程序,要求init程序改变系统运行级别,接着,init程序根据shutdown指令传递过来的参数,相应的改变运行级,例如,shutdown指定的参数是关机命令的话,init程序就执行init 0进行关机,如果shutdown指定的参数是要重启系统,那么init程序就执行init 6进行系统重启。
shutdown命令的详细语法:
shutdown [-fFhknrc(参数名称)] [-t 秒数] 时间 [警告信息]
具体各参数功能:
-f 重新启动时不执行fsck(注:fsck是Linux下的一个检查和修复文件系统的程序,我们会在以后章节详细讲述)。
-F 重新启动时执行fsck。
-h 将系统关机,在某种程度上功能与halt命令相当。
-k 只是送出信息给所有用户,但并不会真正关机。
-n 不调用init程序关机,而是由shutdown自己进行(一般关机程序是由shutdown调用init来实现关机动作),使用此参数将加快关机速度,但是不建议用户使用此种关机方式。
-r shutdown之后重新启动系统。
-c 取消前一个shutdown命令。例如,当执行一个如“shutdown -h 15:30”的命令时,只要按“Ctrl+C”键就可以中断关机的命令。而执行如“shutdown -h 15:30 & ” 的 命 令 就将 shutdown转到后台运行了,此时,就需要使用shutdown -c将前一个shutdown命令取消。
-t<秒数> 送出警告信息和关机信号之间要延迟多少秒。警告信息将提醒用户保存当前进行的工作。
[时间] 设置多久时间后执行shutdown命令。时间参数有hh:mm或+m两种模式。
hh:mm格式表示在几点几分执行shutdown命令。例如 “shutdown 16:50”表示将在16:50执行shutdown, +m表示m分钟后执行shutdown, 比较特别的用法是以now表示立即执行shutdown, 值得注意的是这部分参数不能省略。
[警告信息] 要传送给所有登入用户的信息。
应用举例:
立即关机重启:shutdown ?r now
立即关机:shutdown ?h now
设定5分钟后关机,同时发出警告信息给登录的linux用户:
shutdown +5 “System will shutdown after 5 minutes”
2.halt命令
halt是最简单的关机命令,相当于shutdown ?h组合,halt执行时,kill掉多有应用程序,然后调用系统指令sync,sync将所有内存信息通过文件系统写入硬盘,然后停止内核。
halt命令的部分参数如下:
[-f] 没有调用shutdown而强制关机或重启。
[-i] 关机或重新启动之前,关掉所有的网络接口。
[-p] 关机时调用poweroff,此选项为缺省选项。
3.reboot命令
reboot命令的执行过程与halt基本类似,不同的是halt是用于关机,而reboot是关机后引发系统重启。
4.init命令
init进程是所有进程的鼻祖,其进程号始终为1,init程序主要用于系统不同运行级之间的切换,切换的工作是立即完成的,例如init 0就是将系统运行级切换到0,也就是关机,init 6命令用于将系统运行级别切换到6,也就是重启系统。