Linux—引导过程与服务控制

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引言

如果你的 root 密码忘记了，那要如何恢复？如果你的默认登录模式为图形界面，那么如何在启动时直接指定进入纯字符模式？如果你因为 /etc/fstab 设置错误，导致无法顺利挂载根目录，那么如何在不重新安装的情况下自定义你的 /etc/fstab 让他恢复正常？这些都需要你对 Linux 系统的启动流程非常熟练才行！

一、Linux 操作系统引导过程

1.引导过程总览

Linux 操作系统的引导过程一般包括以下几个阶段：开机自检、MBR引导、GRUB菜单、加载 Linux内核、init进程初始化，如下图所示：

• 开机自检
  服务器主机开机以后，将根据主板BIOS中的设置对CPu (Central Processing Unit，中央处理器)、内存、显卡、键盘等设备进行初步检测，检测成功后根据预设的启动顺序移交系统控制权,大多时候会移交给本机硬盘。

• MBR引导
  当从本机硬盘中启动系统时，首先根据硬盘第一个扇区中 MBR (Master BootRecord，主引导记录）的设置，将系统控制权传递给包含操作系统引导文件的分区;或者直接根据MBR 记录中的引导信息调用启动菜单(如GRUB) 。

• GRUB菜单
  对于Linux操作系统来说，GRUB ( GRand Unified Bootloader，统一启动加载器）是使用最为广泛的多系统引导器程序。系统控制权传递给GRUB以后，将会显示启动菜单给用户选择，并根据所选项(或采用默认值）加载Linux内核文件，然后将系统控制权转交给内核。需要注意的是，Centos 7采用的是GRUB2启动引导器。

• 加载Linux内核
  Linux内核是一个预先编译好的特殊二进制文件，介于各种硬件资源与系统程序之间，负责资源分配与调度。内核接过系统控制权以后，将完全掌控整个Linux操作系统的运行过程。
  在CentoS 系统中，默认的内核文件位于"/boot/vmlinuz-3.10.0-514.el7.x86_64"。

• init进程初始化
  为了完成进一步的系统引导过程，Linux内核首先将系统中的 “/sbin/init” 程序加载到内存中运行（运行中的程序称为进程)，init进程负责完成一系列的系统初始化过程，最后等待用户进行登录

2.init 进程

• 由Linux内核加载运行/sbin/init程序
• init进程是系统中第一个进程
• init进程的PID(进程标记)号永远为1

总结一下就是说 init 进程维持了整个Linux系统运行的所有进程，我们称之为“始祖”。并且init 进程是不允许被轻易终止的。当需要切换不同的系统运行状态时，可以向 init 进程发送正确的执行参数，由init 自身来完成相关操作。

3.systemd 进程

• Systemd是Linux操作系统的一种 init 软件
• CentOS7中采用全新的Systemd启动方式,取代传统的SysVinit
• CentOS7中运行的第一个init进程是/lib/sysstemd/systemd

systemd 诞生的主要目的是为了将更多的服务并发启动，从而提高系统启动速度。其最大的优点在于具有提供按需启动服务的能力，只有在某个服务真正被请求时才进行启动，当该服务结束时 systemd 就将其关闭，等待下次需要时启动。

4.systemd的单元类型

在 systemd 中不同类型的 systemd 对象被统一称为单元，是让系统知道该如何进行操作和管理资源的主要对象，所以 systemd 有很多单元类型，如下：

单元类型	扩展名	说明
Service	.service	描述—个系统服务
Socket	.socket	描述一个进程间通信的套接字
Device	.device	描述─个内核识别的设备文件
Mount	.mount	描述一个文件系统的挂载点
Automount	.automount	描述一个文件系统的自动挂载点
Swap	.swap	描述一个内存交换设备或交换文件
Path	.path	描述─个文件系统中文件或目录
Timer	.timer	描述一个定时器（用于实现类似cron的调度任务)
Snapshot	.snapshot	用于保存一个systemd的状态
Scope	.scope	使用systemd的总线接口以编程的方式创建外部进程
Slice	.slice	描述居于Cgroup的一组通过层次组织的管理系统进程
Target	.target	描述一组systemd的单元

5.运行级别所对应的 systemd 目标

运行级别	Systemd的target	说明
0	target	关机状态，使用该级别时将会关闭主机
1	rescue.target	单用户模式，不需要密码验证即可登录系统，多用于系统维护
2	multi-user.target	用户定义/域特定运行级别。默认等同于3
3	multi-user.target	字符界面的完整多用户模式，大多数服务器主机运行在此级别
4	multi-user.target	用户定义/域特定运行级别，默认等同于3
5	graphical.target	图形界面的多用户模式，提供了图形桌面操作环境
6	reboot.target	重启，使用该级别时将会重启主机

二、服务控制及切换运行级别

1.系统服务控制

systemctl  [控制类型]  [服务名称]

对大多数系统服务来说，常见的几种控制类型如下所述：

类型	说明
start（启动）	运行指定的系统服务程序，实现服务功能
stop（停止）	终止指定的系统服务程序，关闭相应的功能
restart（重启）	先退出，再重新运行指定的系统服务程序
reload（重新加载）	不退出服务程序，只是刷新配置。在某些服务中与restart的操作相同
status（查看服务状态）	查看指定的系统服务的运行状态及相关信息

案例
①关闭并查看服务状态

[root@localhost /home]#systemctl stop postfix.service            #关闭邮件服务
[root@localhost /home]#systemctl status postfix.service          #查看邮件服务的状态
● postfix.service - Postfix Mail Transport Agent
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/postfix.service; enabled; vendor preset: disabled)
   Active: inactive (dead) since 日 2021-08-15 23:49:37 CST; 4s ago
  Process: 59372 ExecStop=/usr/sbin/postfix stop (code=exited, status=0/SUCCESS)
 Main PID: 1501 (code=killed, signal=TERM)
8月 11 08:56:31 localhost.localdomain systemd[1]: Starting Postfix Mail T...
8月 11 08:56:31 localhost.localdomain postfix/master[1501]: daemon starte...
8月 11 08:56:31 localhost.localdomain systemd[1]: Started Postfix Mail Tr...
8月 15 23:49:37 localhost.localdomain systemd[1]: Stopping Postfix Mail T...

②从下面输出结果可以看出，restart 和start功能其实是相同的

[root@localhost /home]#systemctl restart postfix.service 
[root@localhost /home]#systemctl status postfix.service 
● postfix.service - Postfix Mail Transport Agent
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/postfix.service; enabled; vendor preset: disabled)
   Active: active (running) since 日 2021-08-15 23:51:00 CST; 2s ago
  Process: 59372 ExecStop=/usr/sbin/postfix stop (code=exited, status=0/SUCCESS)
  Process: 59419 ExecStart=/usr/sbin/postfix start (code=exited, status=0/SUCCESS)
  Process: 59415 ExecStartPre=/usr/libexec/postfix/chroot-update (code=exited, status=0/SUCCESS)
  Process: 59412 ExecStartPre=/usr/libexec/postfix/aliasesdb (code=exited, status=0/SUCCESS)
 Main PID: 59490 (master)
   CGroup: /system.slice/postfix.service
           ├─59490 /usr/libexec/postfix/master -w
           ├─59491 pickup -l -t unix -u
           └─59492 qmgr -l -t unix -u

8月 15 23:51:00 localhost.localdomain systemd[1]: Starting Postfix Mail T...
8月 15 23:51:00 localhost.localdomain postfix/master[59490]: daemon start...
8月 15 23:51:00 localhost.localdomain systemd[1]: Started Postfix Mail Tr...
Hint: Some lines were ellipsized, use -l to show in full.

2.Linux运行级别

2.1查看系统的运行级别

• 明确当前系统所在的运行级别将有助于我们对一些应用故障的排查。如果未能确定当前所处的运行级别时，可以直接执行 “runlevel” 命令进行查询，显示结果的标识符分别表示切换前的级别和当前的级别。若之前没有切换过运行级别，第一列将显示“N”，如下所示：

[root@localhost /home]#runlevel 
N 5

[root@localhost /home]#init 3
5 3

• 除了runlevel 命令，我们还可以使用 systemctl工具进行查看默认的运行级别，如下：

[root@localhost /home]#systemctl get-default 
graphical.target                                 #图形界面

• 那么这二个有什么区别呢？
  systemctl 工具只能查看一个服务的运行级别，而 runlevel查看两个并且能看出切换运行级别与当前按运行级别

2.2切换系统的运行级别

• 当用户需要将系统转换为其他运行的运行级别时 init 程序进行切换，只需要使用与运行级别相对应的数字（0-6）作为参数即可。
  例如，为了节省系统资源，将系统运行级别由图形模式（5）切换成字符模式（3），可以执行“init 3”命令：

[root@localhost ~]#init 3
[root@localhost ~]#runlevel 
5 3

• 上面这种方式只能临时切换运行级别，而有的时候我们需要设置永久运行级别，该怎么办？

这时候我们可以使用 systemd 工具进行设置，他的命令参数为具体的target，如下

[root@localhost /home]#systemctl get-default 
graphical.target
[root@localhost /home]#systemctl isolate multi-user.target 
[root@localhost /home]#systemctl get-default 
graphical.target

切换图形界面后查看发现依旧显示的是字符界面，因为用的是软链接，必须得强制改掉软链接，想永久使用的话就得去配置文件当中更改，如下：

 [root@localhost /home]#ls -l /etc/systemd/system/default.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 36 8月  11 08:55 /etc/systemd/system/default.target -> /lib/systemd/system/graphical.target
[root@localhost /home]#ln -sf /lib/systemd/system/multi-user.target /etc/systemd/system/default.target                 # -f 强制删除

三、优化启动过程

Linux 系统中包含了大量的服务程序，其中有不少系统服务可能并不是用户需要的，但是系统也默认运行了。这时候我们需要知道默认运行的程序中包括哪些服务，作用是什么，如何控制开机后自启动的系统服务，减少资源的占用，提高系统运行效率。

1.ntsysv工具

• 提供一个交互式、可视化窗口
• 可以在字符终端运行
• 便于集中管理多个服务

[root@localhost ~]#ntsysv 

输出结果如下，为一个可操作的窗口，在里面可以查看都有哪些系统服务。

2.systemctl工具

• 不提供交互式、可视化窗口

• 管理单个服务效率更高

例如，我们可以使用systemctl工具进行关闭开启启动项

[root@localhost ~]#systemctl is-enabled httpd           #查看开机启动状态
disabled
[root@localhost ~]#systemctl enable httpd.service       #开启 httpd 服务
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service to /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@localhost ~]#systemctl is-enabled httpd           #查看开机启动状态
enabled
[root@localhost ~]#systemctl disable httpd.service      #关闭 httpd 服务开机自启动
Removed symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service.
[root@localhost ~]#systemctl is-enabled httpd           #查看开机启动状态
disabled

查看所有的开机自启服务，命令如下：

[root@localhost ~]#systemctl list-unit-files |grep enabled

查看系统中所有的服务运行状态

[root@localhost ~]#systemctl list-units --type=service

3.chkconfig 工具

chkconfig工具的格式如下：

chkconfig --list   [服务名称]

常用选项

格式	说明
chkconfig --add	服务名称
chkconfig --level	级别列表服务名on/ off
chkconfig --add	httpd
chkconfig --level	35 httpd on

4.系统服务的启动和控制

• 查看系统服务的启动状态

 #systemctl is-enabled   [服务名称]

• 设置系统服务的启动状态

#systemctl enable/disable [服务名称]

• 查看系统默认的运行级别

#systemctl get -default

• 永久修改主机名

#hostnamectl set-hostname newname

• 查看主机名的状态

#hostnamectl status

• 设置系统语言为中文

#localectl set-locale LANG=zh_ CN.utf8

• 查看当前系统使用的语言

#localectl  [status]

总结

Linux系统引导过程分为五步，每一步对于我们运维工程师来说都是很重要的。

• 开机自检：开机后根据BIOS中的设置对cpu、内存、显卡等硬件设备进行检测，找出第一个能够引导系统的设备，然后根据启动顺序移交控制权，一般会移交给硬盘。
• MBR引导：因为MBR是硬盘中的第一个扇区，所以会将控制权移交给引导分区来加载引导信息，调用启动菜单 GRUB。
• GRUB菜单：GRUB 菜单会给用户显示启动菜单，根据所选项，加载内核文件，读取GRUB配置文件（CentOS 6是/boot/grub.cfg ;CentOS 7是/boot/grub2）从中获取内核和镜像文件的设置以及路径位置，从而找到并加载内核。
• 加载Linux内核：Linux内核会预先编译好特殊的二进制文件（就是计算机能识别的语言），然后在各种硬件资源和系统程序之间负责资源分配与调用。当硬件设备全部加载完成后，内核将完全掌控整个Linux系统的运行过程，把内核当中的参数和镜像文件加载到内存中去。
• init进程初始化：为了完成系统的引导过程，Linux会将系统中/sbin/init程序加载到内存中运行，init进程负责完成系统初始化过程，等待用户的登录。