【日常積累】Linux之init系統學習

init系統簡介:

Linux 操作系統的啟動首先從 BIOS 開始，接下來進入 boot loader，由 bootloader 載入內核，進行內核初始化。內核初始化的最后一步就是啟動 pid 為 1 的 init 進程，這個進程是系統的第一個進程，它負責產生其他所有用戶進程。

init 的一些特點

  • init是Linux系統操作中不可缺少的程序之一。
  • 所謂的init進程，它是由內核啟動的第一個用戶級進程。內核自行啟動（已被裝入內存，開始運行，并已初始化所有的設備驅動程序和數據結構等）之后，就通過啟動一個用戶級程序init的方式，完成引導進程。所以，init始終是第一個進程（其進程編號始終為1）。
  • 僅僅將內核運行起來是毫無實際用途的，必須由 init 系統將系統代入可操作狀態。比如啟動外殼 shell 后，便有了人機交互，這樣就可以讓計算機執行一些預訂程序完成有實際意義的任務（這其實就是就是后面所說的內核態到用戶態的轉變）。內核會在過去曾使用過init的幾個地方查找它，它的正確位置（對Linux系統來說）是/sbin/init。如果內核找不到init，它就會試著運行/bin/sh，如果運行失敗，系統的啟動也會失敗。

Linux下的三個特殊進程

Linux下有三個特殊的進程idle進程(PID=0)，init進程(PID=1)，和kthreadd(PID=2)

  • idle進程由系統自動創建，運行在內核態。idle進程其pid=0，其前身是系統創建的第一個進程，也是唯一一個沒有通過fork或者kernel_thread產生的進程。完成加載系統后，演變為進程調度、交換。
  • kthreadd進程由idle通過kernel_thread創建，并始終運行在內核空間，負責所有內核進程的調度和管理。它的任務就是管理和調度其他內核線程kernel_thread, 會循環執行一個kthread的函數，該函數的作用就是運行kthread_create_list全局鏈表中維護的kthread, 當我們調用kernel_thread創建的內核線程會被加入到此鏈表中，因此所有的內核線程都是直接或者間接的以kthreadd為父進程 。
  • init進程由idle通過kernel_thread創建，在內核空間完成初始化后，加載init程序。在這里我們就主要了解下init進程，init進程由0進程創建，完成系統的初始化，是系統中所有其他用戶進程的祖先進程
    Linux中的所有進程都是由init進程創建并運行的。首先Linux內核啟動，然后在用戶空間中啟動init進程，再啟動其他系統進程。在系統啟動完成后，init將變成為守護進程監視系統其他進程。（內核態轉變為用戶態）

大致過程為：0號進程->1號內核進程->1號用戶進程（init進程）->getty進程->shell進程

init進程完成從內核態向用戶態的轉變

在這里插入圖片描述

一個進程先后兩種狀態

init進程剛開始運行的時候是內核態，它屬于一個內核線程，然后運行一個用戶態下面的程序后（如/sbin/init），把自己轉成用戶態（后面的進程需要工作在用戶態下）。
init進程完成了從內核態到用戶態的過渡，因此后續的其他進程都可以工作在用戶態。

init進程在內核態下的工作內容

主要是掛載根文件系統，并試圖找到用戶態下的那個init程序。（這句話看出，init進程是早于init程序運行的。）

init進程要把自己轉成用戶態就必須運行一個用戶態的應用程序，要運行這個應用程序就必須得找到這個應用程序，要找到這個應用程序就必須得掛載根文件系統，因為所有的應用程序都在文件系統中。

內核源代碼中的所有函數都處于內核態，執行其中任何一個都不能脫離內核態。而應用程序必須不屬于內核源代碼，這樣才能保證應用程序處于用戶態。這里執行的init程序和內核不在一起，由根文件系統另外提供。

init進程在用戶態下的工作內容

init進程大部分有意義的工作都是在用戶態下進行的。init進程對操作系統的意義在于，其他所有的用戶進程都直接或者間接派生自init進程。

init進程如何從內核態跳躍到用戶態 ？還能回來不？

init進程處于內核態時，通過函數do_execve來執行一個用戶空間編譯鏈接的應用程序就跳躍到用戶態了。

  • 跳躍過程中進程號沒有改變，一直是進程1。
  • 跳躍過程是單向的，一旦執行init程序轉到用戶態，整個操作系統就算真正運轉起來了，以后只能在用戶態下工作，用戶態下想要進入內核態只能通過調用API。

1、init進程掛載了根文件系統
（1）prepare_namespace函數掛載根文件系統。

（2）根文件系統在哪里？根文件系統的文件系統類型是什么？

uboot通過傳參來告訴內核這些信息。
uboot傳參中的root=/dev/mmcblk0p2 rw 這一句就是告訴內核根文件系統在哪里。
uboot傳參中的rootfstype=ext3這一句就是告訴內核rootfs的類型。

（3）掛載結果

如果內核掛載根文件系統成功，則會打印出：VFS: Mounted root (ext3 filesystem) on device 179:2。（也可能其他數字）
如果掛載根文件系統失敗，則會打印：No filesystem could mount root, tried: yaffs2
（4）如果內核啟動時掛載rootfs失敗，則后面無法執行。

內核中設置了啟動失敗休息5s自動重啟的機制，因此這里會自動重啟，所以有時候大家會看到反復重啟的情況。
（5）如果掛載rootfs失敗，可能的原因有

最常見的錯誤就是uboot的bootargs設置不對。
rootfs燒錄失敗（fastboot燒錄不容易出錯）。
rootfs本身制作失敗的。

2、init進程執行init程序完成內核態到用戶態的轉變
（1）一旦掛載rootfs成功，則進入rootfs中尋找應用程序的init程序（在init_post()函數中），找到后用run_init_process去執行。

（2）如果確定init程序是誰？

先從uboot傳參cmdline中看有沒有指定，如果有指定先執行cmdline中指定的程序。比如init=/linuxrc表示rootfs的根目錄下的linuxrc程序就是init程序。
如果uboot傳參cmdline中沒有init=xx或者cmdline中指定的這個xx執行失敗，還有備用方案。第一備用：/sbin/init，第二備用：/etc/init，第三備用：/bin/init，第四備用：/bin/sh。如果以上都不成功，則沒有辦法了。
init=/linuxrc一般指向busybox。

3、init進程構建了用戶交互界面
（1）init進程是其他用戶進程的祖先。
linux系統中一個進程的創建是通過其父進程創建出來的。根據這個理論只要有一個父進程就能生出一堆子孫進程了。
（2）init啟動了login進程（用戶登錄進程）、命令行進程（提供命令行環境）、shell進程（提供命令解釋和執行）。

（3）shell進程啟動了其他用戶進程。

命令行和shell一旦工作，用戶就可以在命令行下通過./xx的方式來執行其他應用程序，每一個應用程序的運行就是一個進程。

4、init進程打開了控制臺

（1）linux系統中每個進程都有自己的一個文件描述符表，表中存儲的是本進程打開的文件。

（2）linux系統中一切皆是文件，因此設備也是以文件的方式來訪問的。要訪問一個設備，就要打開此設備對應的文件描述符。譬如/dev/fb0這個設備文件就代表LCD顯示器設備，/dev/buzzer代表蜂鳴器設備，/dev/console代表控制臺設備。

（3）這里打開了/dev/console文件，并且復制了2次文件描述符，一共得到了3個文件描述符。這三個文件描述符分別是0、1、2，就是所謂的標準輸入、標準輸出、標準錯誤這3個文件描述符。

（4）進程1打開了這3個文件描述符，因此進程1衍生出來的所有的進程默認都具有這3個文件描述符。

運行級別

簡單的說，運行級就是操作系統當前正在運行的功能級別。這個級別有多種，以centos為例，6和7版本的設置方法不同，具體對應關系如下。

init level （centos 6 /etc/inittab）systemctl target（centos 7）說明
0poweroff.target停機（千萬不能把initdefault 設置為0 ）
1rescure.target單用戶（救援）模式
2multi-user.target多用戶，沒有 NFS
3multi-user.target完整的多用戶文本模式級別，登錄后進入到控制臺命令行模式
4未使用
5graphical.targetX11 （xwindow，能夠正常切換的前提是系統支持)
6reboot.target重新啟動
[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

運行級別的配置

centos6設置默認的啟動級別

# 查看運行級別： centos7 也可以使用該命令。[root@k8s-m1 ~]# runlevel N 3
# 修改運行級別：臨時修改： init level(對應的級別即可)永久修改：需要修改 /etc/inittab 文件。
在最下面的一行中的語句 id：5：initdefault 中的數字5改成需要的啟動程度就可以了，一般是命令行模式 3

centos7設置默認的啟動級別

#centos7修改設置默認的系統級別
[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查看默認的系統級別
[root@k8s-m1 ~]#  systemctl get-default multi-user.target

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

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