Linux系统运行级与启动机制剖析

原文作者：技术成就梦想

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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。

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。