【日常积累】Linux之init系统学习

init系统简介:

Linux 操作系统的启动首先从 BIOS 开始，接下来进入 boot loader，由 bootloader 载入内核，进行内核初始化。内核初始化的最后一步就是启动 pid 为 1 的 init 进程，这个进程是系统的第一个进程，它负责产生其他所有用户进程。

init 的一些特点

  • init是Linux系统操作中不可缺少的程序之一。
  • 所谓的init进程，它是由内核启动的第一个用户级进程。内核自行启动（已被装入内存，开始运行，并已初始化所有的设备驱动程序和数据结构等）之后，就通过启动一个用户级程序init的方式，完成引导进程。所以，init始终是第一个进程（其进程编号始终为1）。
  • 仅仅将内核运行起来是毫无实际用途的，必须由 init 系统将系统代入可操作状态。比如启动外壳 shell 后，便有了人机交互，这样就可以让计算机执行一些预订程序完成有实际意义的任务（这其实就是就是后面所说的内核态到用户态的转变）。内核会在过去曾使用过init的几个地方查找它，它的正确位置（对Linux系统来说）是/sbin/init。如果内核找不到init，它就会试着运行/bin/sh，如果运行失败，系统的启动也会失败。

Linux下的三个特殊进程

Linux下有三个特殊的进程idle进程(PID=0)，init进程(PID=1)，和kthreadd(PID=2)

  • idle进程由系统自动创建，运行在内核态。idle进程其pid=0，其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换。
  • kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间，负责所有内核进程的调度和管理。它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程 。
  • init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后，加载init程序。在这里我们就主要了解下init进程，init进程由0进程创建，完成系统的初始化，是系统中所有其他用户进程的祖先进程
    Linux中的所有进程都是由init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成后，init将变成为守护进程监视系统其他进程。（内核态转变为用户态）

大致过程为：0号进程->1号内核进程->1号用户进程（init进程）->getty进程->shell进程

init进程完成从内核态向用户态的转变

在这里插入图片描述

一个进程先后两种状态

init进程刚开始运行的时候是内核态，它属于一个内核线程，然后运行一个用户态下面的程序后（如/sbin/init），把自己转成用户态（后面的进程需要工作在用户态下）。
init进程完成了从内核态到用户态的过渡，因此后续的其他进程都可以工作在用户态。

init进程在内核态下的工作内容

主要是挂载根文件系统，并试图找到用户态下的那个init程序。（这句话看出，init进程是早于init程序运行的。）

init进程要把自己转成用户态就必须运行一个用户态的应用程序，要运行这个应用程序就必须得找到这个应用程序，要找到这个应用程序就必须得挂载根文件系统，因为所有的应用程序都在文件系统中。

内核源代码中的所有函数都处于内核态，执行其中任何一个都不能脱离内核态。而应用程序必须不属于内核源代码，这样才能保证应用程序处于用户态。这里执行的init程序和内核不在一起，由根文件系统另外提供。

init进程在用户态下的工作内容

init进程大部分有意义的工作都是在用户态下进行的。init进程对操作系统的意义在于，其他所有的用户进程都直接或者间接派生自init进程。

init进程如何从内核态跳跃到用户态 ？还能回来不？

init进程处于内核态时，通过函数do_execve来执行一个用户空间编译链接的应用程序就跳跃到用户态了。

  • 跳跃过程中进程号没有改变，一直是进程1。
  • 跳跃过程是单向的，一旦执行init程序转到用户态，整个操作系统就算真正运转起来了，以后只能在用户态下工作，用户态下想要进入内核态只能通过调用API。

1、init进程挂载了根文件系统
（1）prepare_namespace函数挂载根文件系统。

（2）根文件系统在哪里？根文件系统的文件系统类型是什么？

uboot通过传参来告诉内核这些信息。
uboot传参中的root=/dev/mmcblk0p2 rw 这一句就是告诉内核根文件系统在哪里。
uboot传参中的rootfstype=ext3这一句就是告诉内核rootfs的类型。

（3）挂载结果

如果内核挂载根文件系统成功，则会打印出：VFS: Mounted root (ext3 filesystem) on device 179:2。（也可能其他数字）
如果挂载根文件系统失败，则会打印：No filesystem could mount root, tried: yaffs2
（4）如果内核启动时挂载rootfs失败，则后面无法执行。

内核中设置了启动失败休息5s自动重启的机制，因此这里会自动重启，所以有时候大家会看到反复重启的情况。
（5）如果挂载rootfs失败，可能的原因有

最常见的错误就是uboot的bootargs设置不对。
rootfs烧录失败（fastboot烧录不容易出错）。
rootfs本身制作失败的。

2、init进程执行init程序完成内核态到用户态的转变
（1）一旦挂载rootfs成功，则进入rootfs中寻找应用程序的init程序（在init_post()函数中），找到后用run_init_process去执行。

（2）如果确定init程序是谁？

先从uboot传参cmdline中看有没有指定，如果有指定先执行cmdline中指定的程序。比如init=/linuxrc表示rootfs的根目录下的linuxrc程序就是init程序。
如果uboot传参cmdline中没有init=xx或者cmdline中指定的这个xx执行失败，还有备用方案。第一备用：/sbin/init，第二备用：/etc/init，第三备用：/bin/init，第四备用：/bin/sh。如果以上都不成功，则没有办法了。
init=/linuxrc一般指向busybox。

3、init进程构建了用户交互界面
（1）init进程是其他用户进程的祖先。
linux系统中一个进程的创建是通过其父进程创建出来的。根据这个理论只要有一个父进程就能生出一堆子孙进程了。
（2）init启动了login进程（用户登录进程）、命令行进程（提供命令行环境）、shell进程（提供命令解释和执行）。

（3）shell进程启动了其他用户进程。

命令行和shell一旦工作，用户就可以在命令行下通过./xx的方式来执行其他应用程序，每一个应用程序的运行就是一个进程。

4、init进程打开了控制台

（1）linux系统中每个进程都有自己的一个文件描述符表，表中存储的是本进程打开的文件。

（2）linux系统中一切皆是文件，因此设备也是以文件的方式来访问的。要访问一个设备，就要打开此设备对应的文件描述符。譬如/dev/fb0这个设备文件就代表LCD显示器设备，/dev/buzzer代表蜂鸣器设备，/dev/console代表控制台设备。

（3）这里打开了/dev/console文件，并且复制了2次文件描述符，一共得到了3个文件描述符。这三个文件描述符分别是0、1、2，就是所谓的标准输入、标准输出、标准错误这3个文件描述符。

（4）进程1打开了这3个文件描述符，因此进程1衍生出来的所有的进程默认都具有这3个文件描述符。

运行级别

简单的说，运行级就是操作系统当前正在运行的功能级别。这个级别有多种，以centos为例，6和7版本的设置方法不同，具体对应关系如下。

init level （centos 6 /etc/inittab）systemctl target（centos 7）说明
0poweroff.target停机（千万不能把initdefault 设置为0 ）
1rescure.target单用户（救援）模式
2multi-user.target多用户，没有 NFS
3multi-user.target完整的多用户文本模式级别，登录后进入到控制台命令行模式
4未使用
5graphical.targetX11 （xwindow，能够正常切换的前提是系统支持)
6reboot.target重新启动
[root@k8s-m1 ~]# ll /usr/lib/systemd/system/runlevel*target
lrwxrwxrwx 1 root root 15 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
lrwxrwxrwx 1 root root 13 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
lrwxrwxrwx 1 root root 17 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx 1 root root 17 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx 1 root root 17 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
lrwxrwxrwx 1 root root 13 Feb 27 16:14 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

运行级别的配置

centos6设置默认的启动级别

# 查看运行级别： centos7 也可以使用该命令。[root@k8s-m1 ~]# runlevel N 3
# 修改运行级别：临时修改： init level(对应的级别即可)永久修改：需要修改 /etc/inittab 文件。
在最下面的一行中的语句 id：5：initdefault 中的数字5改成需要的启动程度就可以了，一般是命令行模式 3

centos7设置默认的启动级别

#centos7修改设置默认的系统级别
[root@k8s-m1 ~]#  systemctl set-default multi-user.target 
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.
#centos7查看默认的系统级别
[root@k8s-m1 ~]#  systemctl get-default multi-user.target

参考：https://blog.csdn.net/m0_45406092/article/details/130660743

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