Linux系列-1 Linux启动流程——init与systemd进程

背景：

最近对所有项目完成了一个切换，服务管理方式由： init-> systemd。对相关知识进行总结一下。

1.启动流程

服务器的整体启动流程如下图所示：

POST：
计算机通电后进行POST( Power-On Self-Test )加电自检，检查 CPU、内存、硬盘、显卡、声卡、网卡等硬件是否正常工作; 检查完成后触发BIOS程序(来自主板)。

BIOS：
BIOS程序( Basic Input Output System )来自主板，被执行后会拥有整个裸机的执行权。BIOS会做以下几件事：
(1) 对硬件设置的检查和初始化 ；
(2) 加载MBR，并执行。BIOS加载启动盘的第一个扇区(0盘/0道/0扇区)，将扇区的所有内容复制到内存中，并执行(将CPU的指令寄存器指向该内存)。
说明: (1) CPU被设计只能从内存中取数据和指令，启动过程中涉及的程序(保存在硬件中)，都需要在执行前预先被加载到内存。(2) 在机器启动时，按F2(dell服务器)可以进入BIOS。在BIOS的启动选项菜单中可以选择引导设备，使用CD或者U盘安装系统时，将其作为首选引导设备；安装完成后，会自动弹出CD，重启服务器即可。如果把CD推入，重启会再走安装流程(安装完最好把它取出来)。

MBR：
MBR(Master Boot Record)表示硬盘的主引导记录，它位于第一个扇区(0盘/0道/0扇区)。MBR大小为512字节，包含446字节的引导加载程序(主boot-loader)、64字节的分区表信息、2字节的结束标志(0xAA55)。
主boot loader的唯一任务是加载次boot-loader(内核加载程序)。加载过程分为了主/次boot-loader两个加载器，因为512字节不足以完成将操作系统加载内核到内存的工作。

加载操作系统内核:
内核加载程序(grub/grub2)主要负责启动操作系统和加载内核。centos6(及以前)使用grub, 而centos7默认使用grub2。
说明：计算机上安装多个系统时，在grub/grub2阶段可以与用户交互，选择要加载的操作系统。
至此，计算机完全由操作系统接管。

init/systemd:
内核加载完成后，会启动第一个进程init/systemd. 在centos6及以前使用init进程管理服务，centos7及以后使用systemd守护进行管理服务。init/systemd会加载和运行其他的系统进程。
至此，开机启动完成。

2.init进程

2.1 Linux系统的运行级别

0-关机状态: 执行init 0会关闭计算机;
1-单用户模式：只支持root用户，不支持远程登录，一般用于系统维护；
2-多用户模式：支持多用户，不支持远程登录。
3-多用户-NFS：支持多用户，支持远程登录。
4-保留;
5-图形化(多用户、远程登录、支持图形化界面);
6-重启;

可以通过 init + 运行级别 实现系统运行级别的切换。

2.2 init进程的启动过程

(1) init进程从配置文件/etc/inittab中读取运行级别，根据运行级别来确定启动的程序。在CentOS 6中，默认的运行级别是运行级别3。
可以通过runlevel查看当前系统的运行级别：

>runlevel
N 5

(2) 启动子进程
对每个运行级别，在/etc/rc.d文件夹都有一个文件夹:rc0.d ~ rc6.d。比如：当运行级别是5时，rc3.d目录下的配置文件生效。包含如下文件：

文件名格式为：K/S + 数字 + 服务名。K表示停止进程(Kill), S表示启动进程(Start); 数字表示运行级别，数字越小，执行越靠前。
此时，init进程会拉起network进程。

为防止在各个级别下(各个rcN.d目录下)都存放重复的文件，使用链接的形式引用。目录下的所有链接文件会指向/etc/init.d/目录下的脚本。当运行级别进行切换时，会给这些脚本进行传参，start或stop. 因此，需要安装模板规定开发服务脚本, 如下所示：

#! /bin/sh
# 准备操作

SERVER_NAME='demo'

start(){
 echo -e "\nStart ${SERVER_NAME}..."
 #todo: 启动逻辑
 echo -e "\nStart ${SERVER_NAME} success!"
}

stop(){
 echo -e "\nShutdown ${SERVER_NAME}..."
 #todo: 停止逻辑
 echo -e "\nShutdown ${SERVER_NAME} finish!"
}

case "$1" in
 "restart")
  stop
  start
  ;;
 "stop")
  stop
  ;;
 "start")
  start
  ;;
 *)
  echo "parameter error!! ";
  echo "three parameters are valid----restart, start, stop";;
esac

(3) init进程根据上述流程创建一系列子进程，当系统启动完成后，init进程将变成为守护进程，监视系统其他进程的运行状态，并在需要时重新启动它们。

2.3 常用API

添加服务
chkconfig --add ${servicename}

删除服务
chkconfig --del ${servicename}

查看所有的系统服务
chkconfig --list

#查看指定服务信息
chkconfig --list ${servicename}

设置服务的运行级别
chkconfig --level 运行级别 ${servicename} on/off

eg:
设施mysql在运行级别为3和5下开机自启动
chkconfig --level 35 mysqld on

2.4 案例介绍

1.在/etc/init.d/目录下新建服务名，如ewen
脚本如下所示：

#! /bin/sh

echo "$@"

SERVER_NAME='ewen'

start(){
 echo -e "\nStart ${SERVER_NAME}..."
 echo -e "\nStart ${SERVER_NAME} success!"
}

stop(){
 echo -e "\nShutdown ${SERVER_NAME}..."
 echo -e "\nShutdown ${SERVER_NAME} finish!"
}

case "$1" in
 "restart")
  stop
  start
  ;;
 "stop")
  stop
  ;;
 "start")
  start
  ;;
 *)
  echo "parameter error!! ";
  echo "three parameters are valid----restart, start, stop";;
esac

此时，在环境上执行service命令时，可以将参数带入脚本：

>service ewen start a1 bc2 333 d4
#输出
start a1 bc2 333 d4
Start ewen...
Start ewen success

2.通过chkconfig将ewen服务注册到init:

chkconfig --add ewen

3.设置运行级别

chkconfig --level 3 ewen ewen on/off

3.systemd进程

init进程因串行化地启动程序，存在效率问题，且需要自定义脚本; systemd通过并行启动以及通过引入service配置文件，规避了上面两个问题。

ini使用service命令，systemd使用systemctl工具来管理，并且在操作上做了兼容处理(将service指令重定向到systemctl)，如下所示:

>service ewen stop
Redirecting to /bin/systemctl ewen ota.service

在centos7之后(含centos7)使用systemd来管理程序, 通过ls -al /sbin/init 查看链接指向了systemd程序：

通过查看/etc/inittab也可以得到提示如下:

通过ps 命令查看systemd的进程号(进程号为1)：

3.1 启动流程

(1) 获取运行模式
当systemd进程启动后，会读取配置文件，确定运行模式。通过/etc/systemd/system/default.target文件链接到/usr/lib/systemd/system/multi-user.target还是/usr/lib/systemd/system/graphical.target确定运行模式。

(2) 获取需要开机启动的服务
以multi-user模式为例，系统进入/etc/systemd/system/multi-user.target.wants获取所有配置的服务，并启动这些服务。

3.2 service配置文件介绍

3.2.1 文件路径

service配置文件用于自定义服务的启动顺序、运行方式、属组、启动方式等，可以将service文件放在
/usr/lib/systemd/[ system | user ]/ 或 /etc/systemd/[ system | user ]/目录下。user表示用户服务，开机时不启动服务，用户登录后，才触发启动服务；system表示系统服务，开机时启动服务，而不需要用户登录。
/usr/lib/systemd/[ system | user ]/ 通常用于存放yum等软件安装的服务包。优先级/etc/systemd/system要高于/usr/lib/systemd/system。
一般而言，自定义的服务建议放在/etc/systemd/system目录下。

3.2.2 service文件组成

如下所示是redis服务的service文件:

[Unit]
Description=Redis persistent key-value database
After=network.target
After=network-online.target
Wants=network-online.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/redis-server /etc/redis.conf --supervised systemd
ExecStop=/usr/libexec/redis-shutdown
Type=notify
User=redis
Group=redis
RuntimeDirectory=redis
RuntimeDirectoryMode=0755

[Install]
WantedBy=multi-user.target

由三个部分组成: [Unit]、[Service]、[Install]，以下通过分章节分别进行介绍。

3.2.2.1 service文件的unit部分

unit部分可以定义服务描述、启动顺序和依赖关系。
描述
(1) Description：systemd使用Description描述服务信息(给读者看的，一般用一个简单的名称短语即可)。
(2) Documentation: 指定服务的详细说明文档(地址)，多个使用空格进行分隔.

依赖关系
(1) Requires/Requisite：所依赖的单元必须已经启动，多个用都改分隔。
(2) RequiresAny: 指定列表中任意一个已经启动即可。
(3) PartOf：关联停止和重启，多个用逗号分隔。当被关联的服务停止或启动时，该服务也将随着停止和启动。
(4) BindsTo: 设置绑定服务列表，多个用逗号分隔。绑定列表中的所有服务被启动后，该服务才能被启动；绑定列表中的任一服务停止后，该服务被迫停止。绑定配置只有单向关系，即该服务停止后，不会影响列表中服务的状态。
(5) Conflicts: 指定相互冲突的服务，多个使用空格分开。该单元启动时，Conflicts指定的列表中所有单元都将被停止；列表中的某个单元启动时，该单元被停止。

启动顺序
systemd不够友好，依赖关系并不能保证启动顺序，需要用户通过Before和After手动指定。
redis.service文件中通过After指定了在network.target(网络服务)和yslog.target(系统日志服务)之后启动。即系统启动时，redis服务要等待network.target和yslog.target启动后才可启动。
可以通过空格进行分隔，也可以通过多个After项进行配置(如redis.service)：

[Unit]
After=network.target
After=syslog.target

等价于：

[Unit]
After=network.target syslog.target

Before与After完全相反。

案例介绍
基于上述说明，对于不同场景，可以有一下组合：
case1：服务B在服务A之后重启，且依赖于服务A

B.service

[Unit]
After=A.service

case2：服务A重启后，服务B必须重启

B.service

[Unit]
After=A.service
PartOf=A.service

case3：服务C依赖于服务A或B

C.service

[Unit]
RequiresAny=A.service B.service
After=A.service B.service

case4：服务D依赖于服务A和B，但是与C处于冲突状态

D.service

[Unit]
Requires=A.service B.service
After=A.service B.service
Conflicts=C.service

3.2.2.2 service文件的service部分

用于定义服务的类型和属组，启停命令和重启机制、环境变量等。
服务类型：

鉴于章节篇幅，关于simple和forking的详细介绍在章节3.3中进行

Type定义服务类型:
simple：默认类型，使用当前线程作为主进程；
forking：服务会使用fork创建新进程，新进程作为主进程；
oneshot：一般用于执行一次性任务，与simple相似，区别在于systemd执行完oneshot类型才会认为该服务执行成功，而simple开始执行即认为执行成功。
除此之外，还有dbus, notify, idle等类型，因在开发过程中很少见，这里不进行说明。

服务的属组：
User和Group定义服务运行时归属的用户和群组。

启停命令：
(1) ExecStart和ExecStop和ExecReload指定启动和停止时执行的命令(含参数)；
(2) ExecStartPre和ExecStartPost设置ExecStart启动前和启动后执行的命令；
(3) ExecStopPost设置停止后执行的命令；
(4) ExecReload表示重启服务时执行的命令。

环境变量：
Environment用于添加环境变量.

重启策略：
Restart和RestartSec用于配置服务重启策略。
(1) RestartSec定义重新启动服务的间隔时间, 单位:秒；
(2) Restart：服务重启策略：
no(默认值)：不重启；
always：总是重新启动；
on-success/on-failure分别表示当服务正常退出(exit 0)/异常(exit 1)退出时重启.
(3) KillMode设置systemd停止服务的策略
control-group(默认值)：kill主进程和所有子进程
none：不直接kill主进程或子进程，仅执行服务的stop命令
process：仅kill主进程
mixed：向主进程发送SIGTERM(kill)信号，向所有子进程发送SIGKILL(kill -9)信号。

说明: systemd提供了丰富的配置能力，可参考 https://www.jinbuguo.com/systemd/systemd.special.html

案例介绍:

[Service]
Type=forking

User=ewen
Group=ewen

ExecStart=/usr/local/buaa/bin/ewen start
ExecStop=/usr/local/buaa/bin/ewen stop
ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID

Environment="EWEN_HOME=/usr/local/buaa"
#设置该服务可以打开的最大文件数为65535。
LimitNOFILE=65535

PrivateTmp=true
Restart=on-failure
RestartSec=10

KillMode=control-group

3.2.2.3 service文件的Install部分

通过WantedBy指定开机自启动模式，可指定为multi-user.target(多用户模式) 或 graphical.target(界面模式)等。上述的redis.service文件中: WantedBy=multi-user.target. 当执行systemctl enable redis[.service]时，创建一个链接文件：

> systemctl enable redis
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/redis.service to /etc/systemd/system/redis.service.

当执行systemctl disable redis[.service]时，删除该链接文件.

systemd启动时，如果是multi-user模式，则从/etc/systemd/system/multi-user.target.wants目录中读取service文件并启动，从而实现开机自启动；graphical模式，则从/etc/systemd/system/graphical.target.wants目录下读取。

也可为服务设置多种模式，通过空格分开，如：

[Install]
WantedBy=multi-user.target graphical.target

3.3 simple和forking服务类型

systemd启动simple和forking类型的服务流程如下图所示：

systemd进程启动服务时会fork子进程，然后委托这些systemd子进程去启动服务，即执行ExecStart配置的指令。
simple和forking对于systemd进程的核心区别在于“谁是我该监管的进程”：当启动simple类型的服务时，systemd子进程自身作为主进程，接受systemd的监管；而启动forking类型的服务时，systemd子进程将作为中间父进程退出，新创建的进程(systemd通过推断确定)作为主进程接受systemd的监管。
案例说明：
case1: simple服务类型
上述案例中redis的service部分如下所示：

[Service]
ExecStart=/usr/bin/redis-server /etc/redis.conf --supervised systemd
ExecStop=/usr/libexec/redis-shutdown
Type=notify
User=redis
Group=redis
RuntimeDirectory=redis
RuntimeDirectoryMode=0755

没有定义Type，即使用默认的Type=simple类型。
启动redis后，查询进程状态:

此时，systemd跟总的主进程就是调用ExecStart指令的进程。该进程启动后，systemd就任务该服务启动成功。

case2: forking服务类型
nginx的service配置文件如下所示:

[Unit]
Description=The nginx HTTP and reverse proxy server
After=network-online.target remote-fs.target nss-lookup.target
Wants=network-online.target

[Service]
Type=forking
PIDFile=/run/nginx.pid
# Nginx will fail to start if /run/nginx.pid already exists but has the wrong
# SELinux context. This might happen when running `nginx -t` from the cmdline.
# https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=1268621
ExecStartPre=/usr/bin/rm -f /run/nginx.pid
ExecStartPre=/usr/sbin/nginx -t
ExecStart=/usr/sbin/nginx
ExecReload=/usr/sbin/nginx -s reload
KillSignal=SIGQUIT
TimeoutStopSec=5
KillMode=process
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

通过Type=forking指定了服务类型。
启动nginx后，查询进程状态:

可以看到systemd实际监控的进程为18412，而执行ExecStart指令的进程为18409(中间进程，由systemd创建，已正常退出)，该进程通过forking创建出了18412. 当中间进程退出且新进程生成后，systemd任务该服务启动成功。
另外，执行ExecStarPre的进程也是systemd创建的子进程。

上述案例的核心在于systemd监控的主进程，如果可以梳理清楚以下两种场景，simple和forking区别才算真正理解。

场景分析:
场景1: 应当设置为simple的服务被设置为了forking，会发生什么现象？
场景2: 应当设置为forking的服务被设置为了simple，会发生什么现象？

这里仅对第一种场景通过案例进行说明, 读者可通过相同方法对第二种进行梳理

# test.service文件
[Unit]
Description=test

[Service]
Type=forking
ExecStart=/bin/bash -c "sleep 60"

给ExecStart设置的启动指令是sleep 60，即进程休眠1分钟。
执行systemctl start test后，systemd认为test服务是一个forking类型，因此等待这个进程退出(而该进程处于休眠状态，不会退出)，所以通过systemctl status test查询test服务时，一直处于启动中状态:
1分钟后，进程退出且没有新的进程被fork出来，systemd会认为该服务启动失败:

修改为simple类型后:

# test.service文件
[Unit]
Description=test

[Service]
Type=simple
ExecStart=/bin/bash -c "sleep 60"

执行systemctl start test后，systemd认为simple服务是一个forking类型，执行完/bin/bash -c "sleep 60"指令后，systemd认为该服务启动成功:

1分钟后，进程退出，systemd会认为该服务退出运行:

3.4 systemctl

(1) 运行模式:

#设置graphical运行模式
systemctl set-default graphical.target

#设置multi-user运行模式
systemctl set-default multi-user.target

#获取运行模式
systemctl get-default

设置运行模式的本质，就是将/etc/systemd/system/default.target指向/usr/lib/systemd/system/multi-user.target或/usr/lib/systemd/system/graphical.target.

(2) 注册服务：
将服务的service文件放到systemd管理的路径（比如/etc/systemd/system/目录）后，指向以下命令进行重新加载：

systemctl daemon-reload

(3) 启停服务(常用)：

#启动服务
systemctl start 服务名[.service]

#停止服务
systemctl stop 服务名[.service]

#重启服务
systemctl restart 服务名[.service]

#查看服务状态
systemctl status 服务名[.service]

(4) 开机自启动：

#开启开机自启动
systemctl enable 服务名[.service]

#关闭开机自启动
systemctl disable 服务名[.service]

设置开机自启动本质是在/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/目录下创建了一个链接文件。