十二.Linux启动和内核管理
一.关于内核
1.Linux组成
- kernel 实现进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能等功能
- rootfs 包括程序和 glibc 库
程序：二进制执行文件
库：函数集合, function, 调用接口（头文件负责描述）
2.内核分类
- 宏内核(monolithic kernel)：又称单内核和强内核，Unix，Linux把所有系统服务都放到内核里，所有功能集成于同一个程序，分层实现不同功能，系统庞大复杂，
Linux其实在单内核内核实现了模块化，也就相当于吸收了微内核的优点 - 微内核(micro kernel)：Windows，Solaris，HarmonyOS
简化内核功能，在内核之外的用户态尽可能多地实现系统服务，同时加入相互之间的安全保护，每种功能使用一个单独子系统实现，将内核功能移到用户空间，性能差
二.Centos6启动流程
1.启动流程
- 加载BIOS的硬件信息，获取第一个启动设备
- 读取第一个启动设备MBR的引导加载程序(grub)的启动信息
- 加载核心操作系统的核心信息，核心开始解压缩，并尝试驱动所有的硬件设备
- 核心执行init程序，并获取默认的运行信息
- init程序执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件，重新挂载根文件系统
- 启动核心的外挂模块
- init执行运行的各个批处理文件(scripts)
- init执行/etc/rc.d/rc.local
- 执行/bin/login程序，等待用户登录
- 登录之后开始以Shell控制主机
2.硬启动相关
硬启动,POST:Power-On-Self-Test，加电自检，是BIOS功能的一个主要部分。负责完成对CPU、主板、内
存、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘等硬件情况的检测
3.grub
①概念
GRUB是CentOS 5,6使用的启动加载器(bootloader), CentOS 7 以后使
用GRUB 2.02
②GRUB启动阶段
- primary boot loader :
1st stage：MBR的前446个字节
1.5 stage： mbr 之后的扇区，让stage1中的bootloader能识别stage2所在的分区上的文件系统 - secondary boot loader ：2nd stage，分区文件/boot/grub/
③CentOS6的grub安装
④grub legacy管理
4.kernel
①初始化过程
- 探测可识别到的所有硬件设备
- 加载硬件驱动程序（借助于ramdisk加载驱动）
- 以只读方式挂载根文件系统
- 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
②特点
- 支持模块化：.ko（内核对象），如：文件系统，硬件驱动，网络协议等
- 支持内核模块的动态装载和卸载
③组成部分
- 核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release
ramdisk：辅助的伪根系统，加载相应的硬件驱动，ramdisk --> ramfs 提高速度
CentOS 5 /boot/initrd-VERSION-release.img
CentOS 6 以后版本 /boot/initramfs-VERSION-release.img
- 模块文件：/lib/modules/VERSION-release
5.init
①初始化
POST --> BootSequence (BIOS) --> Bootloader(MBR) --> kernel(ramdisk) --> rootfs(只读) -->
init（systemd）
②init程序类型
- 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
③运行级别
运行级别：为系统运行或维护等目的而设定；0-6：7个级别，一般使用3, 5做为默认级别
0：关机
1：单用户模式(root自动登录), single, 维护模式
2：多用户模式，启动网络功能，但不会启动NFS；维护模式
3：多用户模式，正常模式；文本界面
4：预留级别；可同3级别
5：多用户模式，正常模式；图形界面
6：重启
切换级别：
init #
查看级别：
runlevel
who -r
定义运行级别
/etc/inittab
④关于CentOS5
CentOS 5 的inittab文件还定义以下内容
初始运行级别(RUN LEVEL)
系统初始化脚本
对应运行级别的脚本目录
捕获某个关键字顺序
定义UPS电源终端/恢复脚本
在虚拟控制台生成getty
在运行级别5初始化X
CentOS 5 的inittab文件每一行格式：
id:runlevel:action:process
- id：是惟一标识该项的字符序列
- runlevels： 定义了操作所使用的运行级别
- action： 指定了要执行的特定操作
wait: 切换至此级别运行一次
respawn：此process终止，就重新启动之
initdefault：设定默认运行级别；process省略
sysinit：设定系统初始化方式 - process：定义了要执行的进程
⑥关于CentOS6
CentOS 6 init程序为 upstart, 其配置文件/etc/inittab, /etc/init/*.conf，配置文件的语法 遵循 upstart
配置文件语法格式，和CentOS5不同
/etc/inittab 设置系统默认的运行级别
/etc/init/control-alt-delete.conf
/etc/init/tty.conf
/etc/init/start-ttys.conf
/etc/init/rc.conf
/etc/init/prefdm.conf
⑦初始化脚本sysinit
/etc/rc.d/rc.sysinit
系统初始化脚本功能
(1) 设置主机名
(2) 设置欢迎信息
(3) 激活udev和selinux
(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统
(5) 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统
(6) 设置系统时钟
(7) 激活swap设备
(8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数
(9) 激活lvm及software raid设备
(10)加载额外设备的驱动程序
(11)清理操作
⑧服务管理
service 命令：手动管理服务
service 服务 start|stop|restart
service --status-all
/etc/rc.d/rc 控制服务脚本的开机自动运行
for srv in /etc/rc.d/rcN.d/K*; do
$srv stop
done
for srv in /etc/rc.d/rcN.d/S*; do
$srv start
done
说明：rc N --> 意味着读取/etc/rc.d/rcN.d/
K: K##：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为依赖到别的服务
S: S##：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为被依赖到的服务
配置服务开机启动
- chkconfig命令
- ntsysv命令
chkconfig 命令管理服务
#查看服务在所有级别的启动或关闭设定情形：
chkconfig [--list] [name]
#添加服务
SysV的服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d (/etc/init.d)
#!/bin/bash
chkconfig: LLLL nn nn #LLLL 表示初始在哪个级别下启动，-表示都不启动
description : 描述信息
chkconfig --add name
#删除服务
chkconfig --del name
#修改指定的运行级别
chkconfig [--level levels] name <on|off|reset>
说明：--level LLLL: 指定要设置的级别；省略时表示2345
⑨非独立服务
- 服务分为独立服务和非独立服务
- 瞬态（Transient）服务被超级守护进程 xinetd 进程所管理，也称为非独立服务
- 进入的请求首先被xinetd代理
配置文件：
/etc/xinetd.conf
/etc/xinetd.d/
用chkconfig控制非独立服务开机启动
例:chkconfig tftp on
⑩开机启动文件 rc.local
/etc/rc.local
/etc/rc.d/rc.local
正常级别下，最后启动一个服务S99local没有链接至/etc/rc.d/init.d一个服务脚本，而是指向了/etc/rc.d/rc.local脚本
不便或不需写为服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d/目录，且又想开机时自动运行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中
/etc/rc.d/rc.local在指定运行级别脚本后运行
注:默认Ubuntu 无 /etc/rc.local 文件,可以创建此脚本文件并添加执行权限,rc.local的首行必须有shebang机制
6.总结
POST
boot loader
vmlinux(initramfs.img)
roofs
/sbin/init
/etc/inittab 设置默认运行级别
/etc/rc.d/rc.sysinit 运行系统初始脚本完成系统初始化
/etc/rc#.d/Sxxxx 启动需要启动服务关闭对应下需要关闭的服务
/etc/rc.d/rc.local
设置登录终端
三.CentOS7启动流程
- UEFi或BIOS初始化，运行POST开机自检
- 选择启动设备
- 引导装载程序, centos7是grub2,加载装载程序的配置文件：
/etc/grub.d/
/etc/default/grub
/boot/grub2/grub.cfg - 加载initramfs驱动模块
- 加载内核选项
- 内核初始化，centos7使用systemd代替init
- 执行initrd.target所有单元，包括挂载/etc/fstab
- 从initramfs根文件系统切换到磁盘根目录
- systemd执行默认target配置，配置文件/etc/systemd/system/default.target
- systemd执行sysinit.target初始化系统及basic.target准备操作系统
- systemd启动multi-user.target下的本机与服务器服务
- systemd执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local
- Systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务
- systemd执行graphical需要的服务
**通过systemd-analyze 工具可以了解启动的详细过程 **
四.systemd
Systemd：从 CentOS 7 版本之后开始用 systemd 实现init进程，系统启动和服务器守护进程管理器，负责在系统启动或运行时，激活系统资源，服务器进程和其它进程
1.特性
- 系统引导时实现服务并行启动
- 按需启动守护进程
- 自动化的服务依赖关系管理
- 同时采用socket式与D-Bus总线式激活服务
- socket与服务程序分离
- 向后兼容sysv init脚本
- 使用systemctl 命令管理，systemctl命令固定不变，不可扩展，非由systemd启动的服务，systemctl无法与之通信和控制
- 系统状态快照
2.核心概念
systemd核心概念：unit
unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听
socket、保存的系统快照以及其它与init相关的信息
Unit类型：
- service unit: 文件扩展名为.service, 用于定义系统服务
- Socket unit: .socket, 定义进程间通信用的socket文件，也可在系统启动时，延迟启动服务，实现
按需启动 - Target unit: 文件扩展名为.target，用于模拟实现运行级别
- Device unit: .device, 用于定义内核识别的设备
- Mount unit: .mount, 定义文件系统挂载点
- Snapshot unit: .snapshot, 管理系统快照
- Swap unit: .swap, 用于标识swap设备
- Automount unit: .automount，文件系统的自动挂载点
- Path unit: .path，用于定义文件系统中的一个文件或目录使用,常用于当文件系统变化时，延迟激
活服务，如：spool 目录
unit的配置文件
/usr/lib/systemd/system #每个服务最主要的启动脚本设置，类似于之前的/etc/init.d/
/lib/systemd/system #ubutun的对应目录
/run/systemd/system #系统执行过程中所产生的服务脚本，比上面目录优先运行
/etc/systemd/system #管理员建立的执行脚本，类似于/etc/rcN.d/Sxx的功能，比上面目录优先运行
3. systemctl管理系统服务service unit
systemctl COMMAND name.service
4.service unit文件格式
/etc/systemd/system：系统管理员和用户使用
/usr/lib/systemd/system：发行版打包者使用
unit 格式说明：
- 以 “#” 开头的行后面的内容会被认为是注释
- 相关布尔值，1、yes、on、true 都是开启，0、no、off、false 都是关闭
- 时间单位默认是秒，所以要用毫秒（ms）分钟（m）等须显式说明
service unit file文件组成：
- [Unit]：定义与Unit类型无关的通用选项；用于提供unit的描述信息、unit行为及依赖关系等
- [Service]：与特定类型相关的专用选项；此处为Service类型
- [Install]：定义由“systemctl enable”以及"systemctl disable“命令在实现服务启用或禁用时用到
的一些选项
Unit段的常用选项：
- Description：描述信息
- After：定义unit的启动次序，表示当前unit应该晚于哪些unit启动，其功能与Before相反
- Requires：依赖到的其它units，强依赖，被依赖的units无法激活时，当前unit也无法激活
- Wants：依赖到的其它units，弱依赖
- Conflicts：定义units间的冲突关系
Service段的常用选项：
- Type：定义影响ExecStart及相关参数的功能的unit进程启动类型
simple：默认值，这个daemon主要由ExecStart接的指令串来启动，启动后常驻于内存中
forking：由ExecStart启动的程序透过spawns延伸出其他子程序来作为此daemon的主要服务。原生父程序在启动结束后就会终止
oneshot：与simple类似，不过这个程序在工作完毕后就结束了，不会常驻在内存中
dbus：与simple类似，但这个daemon必须要在取得一个D-Bus的名称后，才会继续运作.因
此通常也要同时设定BusNname= 才行
notify：在启动完成后会发送一个通知消息。还需要配合 NotifyAccess 来让 Systemd 接收消息
idle：与simple类似，要执行这个daemon必须要所有的工作都顺利执行完毕后才会执行。这
类的daemon通常是开机到最后才执行即可的服务
- EnvironmentFile：环境配置文件
- ExecStart：指明启动unit要运行命令或脚本的绝对路径
- ExecStartPre： ExecStart前运行
- ExecStartPost： ExecStart后运行
- ExecStop：指明停止unit要运行的命令或脚本
- Restart：当设定Restart=1 时，则当次daemon服务意外终止后，会再次自动启动此服务
- RestartSec: 设置在重启服务( Restart= )前暂停多长时间。 默认值是100毫秒(100ms)。 如果未指
定时间单位，那么将视为以秒为单位。 例如设为"20"等价于设为"20s"。 - PrivateTmp：设定为yes时，会在生成/tmp/systemd-private-UUID-NAME.service-XXXXX/tmp/
目录
Install段的常用选项：
- Alias：别名，可使用systemctl command Alias.service
- RequiredBy：被哪些units所依赖，强依赖
- WantedBy：被哪些units所依赖，弱依赖
- Also：安装本服务的时候还要安装别的相关服务
注意：对于新创建的unit文件，或者修改了的unit文件，要通知systemd重载此配置文件,而后可以选择重启
systemctl daemon-reload
5.运行级别
target units：相当于CentOS 6之前的runlevel ,unit配置文件：.target
ls /usr/lib/systemd/system/*.target
systemctl list-unit-files --type target --all
运行级别对应关系
0 ==> runlevel0.target, poweroff.target
1 ==> runlevel1.target, rescue.target
2 ==> runlevel2.target, multi-user.target
3 ==> runlevel3.target, multi-user.target
4 ==> runlevel4.target, multi-user.target
5 ==> runlevel5.target, graphical.target
6 ==> runlevel6.target, reboot.target
查看依赖性：
systemctl list-dependencies graphical.target
级别切换：相当于 init N
systemctl isolate name.target
进入默认target
systemctl default
6.设置内核参数
设置内核参数，只影响当次启动
启动时，到启动菜单，按e键，找到在linux 开头的行后添加systemd.unit=desired.target
五.内核管理
内核组成部分：
- kernel：内核核心，一般为bzImage，通常在/boot目录
vmlinuz-VERSION-RELEASE
- kernel object：内核对象，一般放置于
/lib/modules/VERSION-RELEASE/
- 辅助文件：ramdisk
initrd-VERSION-RELEASE.img：从CentOS 5 版本以前
initramfs-VERSION-RELEASE.img：从CentOS6 版本以后
1./proc 目录和内核参数管理
/proc目录：内核把自己内部状态信息及统计信息，以及可配置参数通过proc伪文件系统加以输出
内核参数：
- 只读：只用于输出信息
- 可写：可接受用户指定“新值”来实现对内核某功能或特性的配置
/proc/sys 设置
sysctl是一个允许改变正在运行中的Linux系统的接口，修改的是针对整个系统的内核参数。sysctl的修改是立即且临时的（重启后失效）。也可以通过修改sysctl.conf配置文件，达到永久生效。
- sysctl 命令用于查看或设定此目录中诸多参数
sysctl -w path.to.parameter=VALUE
默认配置文件：/etc/sysctl.conf 及以下文件
/run/sysctl.d/.conf
/etc/sysctl.d/.conf
/usr/local/lib/sysctl.d/.conf
/usr/lib/sysctl.d/.conf
/lib/sysctl.d/*.conf
/etc/sysctl.conf
echo命令通过重定向方式也可以修改大多数参数的值
echo "VALUE" > /proc/sys/path/to/parameter
sysctl命令：
(1) 临时设置某参数
sysctl -w parameter=VALUE
(2) 通过读取配置文件设置参数
sysctl -p [/path/to/conf_file]
(3) 查看指定参数当前值
sysctl [/path/to/conf_file]
(4) 查看所有生效参数
sysctl -a
常用的内核参数：
net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.icmp_echo_ignore_all
net.ipv4.ip_nonlocal_bind #允许应用程序可以监听本地不存在的IP
vm.drop_caches
fs.file-max = 1020000 #全局打开文件的最大数
vm.overcommit_memory = 0
vm.swappiness = 10
2./sys 目录
/sys目录：
使用sysfs文件系统，为用户使用的伪文件系统，输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内
核对硬件特性的设定信息；有些参数是可以修改的，用于调整硬件工作特性
udev通过此路径下输出的信息动态为各设备创建所需要设备文件，udev是运行用户空间程序
专用工具：udevadmin, hotplug
udev为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在/etc/udev/rules.d
及/usr/lib/udev/rules.d目录下
3.内核版本
uname [OPTION]...
常用选项:
-n 显示节点名称
-r 显示VERSION-RELEASE
-a 显示所有信息
4.内核模块命令
lsmod命令：
- 显示由核心已经装载的内核模块
- 显示的内容来自于: /proc/modules文件
modinfo命令：管理内核模块
- 显示模块的详细描述信息
modinfo [ -k kernel ] [ modulename|filename... ]
常用选项：
-n：只显示模块文件路径
-p：显示模块参数
-a：作者
-d：描述
配置文件：
/etc/modprobe.conf, /etc/modprobe.d/*.conf
- 装载或卸载内核模块
modprobe [ -C config-file ] [ modulename ] [ module parame-ters... ]
modprobe [ -r ] modulename…
depmod命令：内核模块依赖关系文件及系统信息映射文件的生成工具
insmod命令：可以安装模块，需要指定模块文件路径，并且不自动解决依赖模块
insmod [ filename ] [ module options... ]
rmmod命令：卸载模块
rmmod [ modulename ]
