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Linux 系统启动过程及原理解析

【概述】

Linux 启动时会看到许多启动信息,但 Linux系统的启动过程并没有想象中的复杂,其过程大致可分为7个阶段:

内核的引导运行 init系统初始化建立终端?用户登录系统图形模式与文字模式的切换方式
关机

【内核引导】

当计算机打开电源启动后,首先进行的是BIOS开机自检,即:按照BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)来启动。

操作系统接管硬件以后,首先读入 /boot 目录下的内核文件,这个过程即为内核引导过程。

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【运行init】

1.init文件类型

SysV: init, CentOS 5之前, 配置文件: /etc/inittab

Upstart: init,CentOS 6, 配置文件: /etc/inittab, /etc/init/*.conf

Systemd: systemd, CentOS 7,配置文件: /usr/lib/systemd/system、 /etc/systemd/system

注:init 进程是系统所有进程的起点,没有这个进程,系统中任何进程都不会启动,init 程序首先读取的配置文件是 /etc/inittab

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2.运行级别

许多程序需要开机启动,这些程序在 Windows 中叫做"服务"(service),在 Linux 中叫做"守护进程"(daemon),init 进程的一大任务,就是去运行这些开机启动的程序。

不同的场合需要启动不同的程序(比如用作服务器时,需要启动 Apache,用作桌面则不需要),Linux 允许为不同的场合,分配不同的开机启动程序,这就叫做"运行级别"(runlevel),即:启动时根据"运行级别",确定要运行的程序。

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Linux 系统有7个运行级别(runlevel):

运行级别0:系统停机状态,系统默认运行级别不能设为0,否则不能正常启动运行级别1:单用户工作状态,root权限,用于系统维护,禁止远程登陆运行级别2:多用户状态(没有NFS)运行级别3:完全的多用户状态(有NFS),登陆后进入控制台命令行模式运行级别4:系统未使用,保留运行级别5:X11控制台,登陆后进入图形GUI模式运行级别6:系统正常关闭并重启,默认运行级别不能设为6,否则不能正常启动

【系统初始化】

在 init 的配置文件中,存在这么一行:si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit ,它调用执行了 /etc/rc.d/rc.sysinit ,而rc.sysinit 是一个 bash shell 的脚本,主要用于完成系统初始化的工作,rc.sysinit 是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:激活交换分区、检查磁盘、加载硬件模块等需要优先执行的任务。

  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

这一行表示以5为参数运行 /etc/rc.d/rc ,/etc/rc.d/rc 是一个 Shell 脚本,它接受5作为参数,去执行 /etc/rc.d/rc5.d/ 目录下的所有的 rc 启动脚本,/etc/rc.d/rc5.d/ 目录中的这些启动脚本实际上都是一些连接文件,而不是真正的 rc启动脚本,真正的 rc启动脚本 实际上都是放在 /etc/rc.d/init.d/ 目录下。

而这些 rc启动脚本 有着类似的用法,它们一般能接受 start、stop、restart、status 等参数。

/etc/rc.d/rc5.d/ 中的 rc启动脚本 通常是 K 或 S 开头的连接文件,对于以 S 开头的启动脚本,将以 start参数 来运行。

如果发现存在相应的脚本也存在 K 开头的连接,而且已经处于运行态了(以 /var/lock/subsys/ 下的文件作为标志),则首先以 stop 为参数停止这些已经启动的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证是当 init 改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。

至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可通过 chkconfig 或 setup 中的"System Services"来自行设定。

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【建立终端】

rc 执行完毕后,返回 init,此时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已启动了,init 接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。

在 inittab 中的以下6行就是定义了6个终端:

  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

从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以 respawn 方式运行 mingetty 程序。

mingetty 程序能打开终端、设置模式,同时它会显示一个文本登录界面,这个界面就是我们经常看到的登录界面,在界面中会提示用户输入用户名,而用户输入的用户将作为参数传给 login 程序来验证用户的身份。

【用户登录系统】

一般来说,用户的登录方式有三种:

命令行登录SSH(Secure Shell)登录图形界面登录

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对于运行级别为5的图形方式用户来说,登录是通过一个图形化的登录界面,登录成功后可以直接进入 KDE、Gnome 等窗口管理器。

对于以文本方式登录的情况:当我们看到 mingetty 的登录界面时,就可以输入用户名和密码来登录系统。Linux 的账号验证程序是 login,login 会接收 mingetty 传来的用户名作为用户名参数,然后 login 会对用户名进行分析,如果用户名不是 root,且存在 /etc/nologin 文件,login 将输出 nologin 文件的内容,然后退出。

以文本方式登录通常用于系统维护时防止 非root用户 登录,只有在 /etc/securetty 中登记了的终端才允许 root用户 登录,如果不存在这个文件,则 root用户 可以在任何终端上登录。

【图形模式与文字模式的切换方式】

Linux预设提供了六个命令窗口终端机用于登录。

这个六个窗口分别为 tty1,tty2 … tty6,可以按下 Ctrl + Alt + F1 ~ F6 来切换,默认登录的就是第一个窗口,也就是 tty1。

如果安装了图形界面,默认情况下是直接进入图形界面,此时可以按 Ctrl + Alt + F1 ~ F6 来进入其中一个命令窗口界面,当进入命令窗口界面后再返回图形界面只要按下 Ctrl + Alt + F7 就可以返回。

如果你用的 VMware虚拟机,命令窗口切换的快捷键为 Alt + Space + F1~F6,如果在图形界面下按 Alt + Shift + Ctrl + F1~F6 来切换至命令窗口。

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【关机】

Linux 大多用在服务器上,很少遇到关机的操作,因为在服务器上跑一个服务是永无止境的,除非特殊情况下不得已才关机。

正确的关机流程为:sync > shutdown > reboot > halt

关机指令为:shutdown (具体的可以用 man shutdown 来看帮助文档)

例如可以运行如下命令关机:

  sync 将数据由内存同步到硬盘中。  shutdown –h 10 ‘This server will shutdown after 10 mins’ 这个命令告诉大家,计算机将在10分钟后关机,并且会显示在登陆用户的当前屏幕中。  Shutdown –h now 立马关机  Shutdown –h 20:25 系统会在今天20:25关机  Shutdown –h +10 十分钟后关机  Shutdown –r now 系统立马重启  Shutdown –r +10 系统十分钟后重启  reboot 就是重启,等同于 shutdown –r now  halt 关闭系统,等同于shutdown –h now 和 poweroff

注:

无论是重启系统还是关闭系统,首先都要运行 sync 命令,将内存中的数据写到磁盘中。常用的关机命令有 shutdown –h now halt poweroffinit 0?常用的重启命令有 shutdown –r now reboot init 6

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