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Linux：系统启动详解

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周中平 2024-04-11 17:29:53 +08:00
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Tech/operating-system/Linux/3.系统管理/Linux 系统管理.md → Tech/operating-system/Linux/3.系统管理/Linux 系统启动详解.md
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@ -1,6 +1,6 @@
---
title: Linux 系统管理
description: Linux 系统管理和配置
title: Linux 服务管理
description: Linux 服务管理和配置
keywords:
- Linux
- 系统管理
@ -25,7 +25,7 @@ Linux，一种自由和开源的操作系统，因其强大的定制性和稳定
3. **内核阶段**：加载到内存的内核首先会解压自身，然后启动并初始化系统硬件和驱动。这包括设置和初始化处理器和内存管理系统、唤醒和初始化其他的 CPU 核心、探测并初始化系统中的各种硬件设备、设置中断处理程序和系统调用处理程序、初始化虚拟文件系统（VFS）等。接着，它会使用在 initrd 中的程序和驱动来挂载根文件系统。
4. **系统初始化阶段**：内核成功挂载根文件系统后，会启动第一个进程 init 或 systemd。这个进程会根据预设的运行级别来启动其他的服务和守护进程，完成系统的启动。在这个阶段，init 系统（例如 systemd）不仅启动系统服务，还负责管理这些服务。例如，如果某个服务因故崩溃，init 系统可以自动重新启动它。此外，init 系统还负责设置环境变量、管理系统日志、维护文件系统挂载点等任务。一般来说，init 进程在启动系统服务之后，不会直接进入等待状态，而是会进入一个事件循环，等待如硬件事件、服务状态改变、用户请求等事件，然后根据事件类型进行相应的处理。
#### BIOS 阶段
#### 1.BIOS 阶段
当电脑开机时，会进行一种叫做电源自检（Power-On Self Test，POST）的过程。这个过程是由电脑的基本输入/输出系统（Basic Input/Output System，BIOS）或统一可扩展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface，UEFI）来管理的。**POST 是电脑启动过程中的第一个步骤，是为了确定系统的基本硬件设备是否能够正常运行。**
@ -54,7 +54,7 @@ graph LR
在这个阶段，有一些系统可能使用 UEFI（统一的可扩展固件接口）而不是传统的 BIOS。UEFI 是一个规范，定义了软件与操作系统和平台固件之间的软件接口。UEFI 启动过程的细节和 BIOS 有所不同，但基本思路是类似的：它**负责初始化硬件，然后加载并运行启动加载器。**
#### 引导加载器阶段
#### 2.引导加载器阶段
**启动加载程序（Bootloader）是在计算机启动过程中，BIOS 或 UEFI 完成硬件检测后，用于加载操作系统内核的一个小程序。**常见的 Linux 启动加载程序有 GRUB（GNU GRand Unified Bootloader）、LILO（Linux Loader）、SYSLINUX 等。
@ -78,7 +78,7 @@ graph LR
引导加载器不仅可以加载 Linux，也可以加载许多其他类型的操作系统。例如，GRUB 支持加载 Linux、Windows、FreeBSD 等等。**这是通过多启动（multi-boot）规范实现的，它定义了一个标准的方法让引导加载器与操作系统内核交互。**
#### 内核阶段
#### 3.内核阶段
**一旦启动加载程序（例如 GRUB）将操作系统内核加载到内存并将控制权移交给它，Linux 内核就开始初始化。**在内核初始化过程中，它实际上是在设定一个基本的运行环境，这样用户空间的程序才能在这个环境中运行。在这个环境中，内核提供了许多基本的服务，例如设备驱动、文件系统、网络服务、进程调度等。所有这些服务在用户空间的程序看来就像是操作系统的一部分，但它们实际上都是由内核提供的。
@ -108,7 +108,7 @@ graph LR
7. **启动 init 进程**：最后，内核会启动一个特殊的用户空间程序，称为 init 进程。这个进程的进程 ID（PID）是 1，它负责启动所有其他的用户空间程序和服务。
#### 系统初始化阶段
#### 4.系统初始化阶段
**在 Linux 内核完成初始化并挂载了根文件系统后，它将启动第一个用户空间程序，这个进程通常被称为 init 进程。init 进程的进程 ID（PID）是 1，它是所有其他用户空间进程的父进程。**init 进程在系统中有特殊的地位，它负责启动其他所有的系统服务和用户空间进程。
@ -135,13 +135,15 @@ graph LR
运行级别是 Linux 系统中用于定义系统需要运行哪些服务和进程的方式。每个运行级别都有特定的服务和进程集合，可以根据系统的需求进行切换。Linux 系统中包含以下七个运行级别：
1. **运行级别 0**：系统停机，通常用于正常关闭系统。
2. **运行级别 1**：单用户模式，通常用于系统维护。
3. **运行级别 2**：多用户模式，不包括网络服务。
4. **运行级别 3**：完全的多用户模式，包括网络服务。这通常是 Linux 系统默认的运行级别。
5. **运行级别 4**：通常不使用，用户可以自定义。
6. **运行级别 5**：图形用户模式，启动 X Window 图形界面。
7. **运行级别 6**：系统重启。
| 运行级别 | 描述 |
| -------- | ------------------------------------------------------------ |
| 0 | 系统停机，通常用于正常关闭系统。 |
| 1 | 单用户模式，通常用于系统维护。 |
| 2 | 多用户模式，不包括网络服务。 |
| 3 | 完全的多用户模式，包括网络服务。这通常是 Linux 系统默认的运行级别。 |
| 4 | 通常不使用，用户可以自定义。 |
| 5 | 图形用户模式，启动 X Window 图形界面。 |
| 6 | 系统重启。 |
### 管理运行级别
@ -247,6 +249,26 @@ kill -9 123
killall bash
```
### 进程管理命令手册
| 命令 | 描述 |
| --------- | ------------------------------------------------------------ |
| `ps` | 显示当前进程的快照。 |
| `top` | 动态显示进程状态，可以实时查看系统中各个进程的资源占用情况。 |
| `htop` | 与 `top` 类似，但提供了一个更美观、更友好的界面以及额外的功能，如垂直和水平滚动。 |
| `pgrep` | 根据条件查找进程，并列出匹配条件的进程 ID。 |
| `pkill` | 发送信号到匹配条件的进程，常用于终止进程。 |
| `kill` | 发送信号到特定的进程，最常用于终止进程。 |
| `killall` | 根据进程的名称来终止一组进程。 |
| `nice` | 启动一个进程并设置其优先级。优先级较低的进程运行得较慢，从而减少对系统资源的占用。 |
| `renice` | 修改已经运行的进程的优先级。 |
| `nohup` | 运行命令使其可以在用户注销后继续运行。 |
| `jobs` | 显示当前会话中的所有作业及其状态。 |
| `bg` | 将一个在后台暂停的作业恢复执行。 |
| `fg` | 将一个在后台运行的作业调到前台继续运行。 |
| `&` | 在命令后添加 `&` 可以让命令在后台运行。 |
| `disown` | 将作业从当前会话的作业列表中移除，使得该作业不会在会话结束时被终止。 |
## 服务管理
### 服务的概念
@ -263,9 +285,9 @@ killall bash
与传统的 SysV init 和 Upstart 等系统相比，systemd 提供了许多高级特性。其中一个主要特点就是并行化处理，能同时启动多个服务，大大提高了系统启动的速度。此外，systemd 还支持按需启动服务，即只有在服务被需要时才启动。这些特性加上实时系统状态查看，服务依赖管理，系统资源控制等，使得 systemd 能为用户提供现代化的、高效的、全面的解决方案。
systemd 还提供了一种新的系统配置方法，即使用 systemd 单元（unit）文件。这些单元文件用于定义服务、设备、挂载点、套接字等对象的属性和行为。单元文件是纯文本文件，易于编辑，支持灵活的配置选项。
**systemd 还提供了一种新的系统配置方法，即使用 systemd 单元（unit）文件。**这些单元文件用于定义服务、设备、挂载点、套接字等对象的属性和行为。单元文件是纯文本文件，易于编辑，支持灵活的配置选项。
除了基本的初始化服务，systemd 还提供了进程监控、日志管理、设备管理、网络配置、用户会话管理等多项功能。特别是通过日志管理工具 journald，实现了全面的日志管理功能。journald 可以收集各种类型的日志信息，包括内核日志、系统服务日志、用户程序日志等，然后将它们统一存储在一个中央日志库中，便于用户查阅和管理。
除了基本的初始化服务，**systemd 还提供了进程监控、日志管理、设备管理、网络配置、用户会话管理等多项功能。**特别是通过日志管理工具 journald，实现了全面的日志管理功能。journald 可以收集各种类型的日志信息，包括内核日志、系统服务日志、用户程序日志等，然后将它们统一存储在一个中央日志库中，便于用户查阅和管理。
尽管 systemd 具有诸多优点，但由于其庞大和复杂，也引来了不少批评。一些人认为 systemd 违反了 Unix 哲学——" 做一件事，并把它做好 "，它的功能太过全面，违反了模块化设计的原则。然而，也有很多人认为，对于现代 Linux 系统来说 systemd 是必不可少的。
@ -392,76 +414,3 @@ init [runlevel]
另一方面，新的服务管理工具和框架也正在不断出现，比如用 Go 语言编写的 [supervisord](http://supervisord.org/)，或者是由 Uber 开发的 [Peloton](https://eng.uber.com/peloton/)。这些工具都试图在特定环境下提供更好的服务管理能力。
总的来说，服务管理是一个重要且不断发展的领域。随着新技术的发展，我们期待看到更多的创新和进步，以帮助我们更好地管理和维护系统服务。
## 设备驱动管理
### 设备驱动概述
Linux 设备驱动是操作系统中一个重要的组成部分，负责管理并控制计算机硬件。设备驱动通过提供统一的接口，使得上层的应用软件无需了解底层硬件的细节，就能够利用硬件设备的功能。无论是显卡，网卡，硬盘，USB 设备等，都需要相关的设备驱动来进行管理。
### 设备驱动的类型
在 Linux 中，设备驱动分为静态驱动和动态驱动（也称为模块）两种。静态驱动是在内核编译时直接集成在内核镜像中的，这种驱动的主要优点是启动时就已经可用，但是不能在运行时卸载。动态驱动（模块）则是可以在系统运行时按需加载和卸载的，它提供了更大的灵活性，可以根据需要添加或删除设备驱动，而无需重新编译内核。
### 设备驱动的加载与卸载
设备驱动的加载和卸载主要通过 modprobe 命令进行。modprobe 是一种在 Linux 中管理模块的命令行工具。例如，通过输入 modprobe driver_name，就可以加载对应的设备驱动；而通过 modprobe -r driver_name 则可以卸载对应的设备驱动。
### 设备驱动的配置
设备驱动的配置通常在加载驱动时通过参数传递，或者在 /etc/modprobe.d 目录下的配置文件中设置。例如，你可以在加载网卡驱动时，通过参数来设置网络速度，全双工或半双工模式等。
### 设备驱动的问题诊断与解决
如果设备驱动出现问题，你可以通过以下几种方式进行诊断和解决：
1. 使用 `dmesg` 命令查看内核消息：`dmesg` 命令可以显示内核的环形缓冲区中的消息，这些消息通常包含了设备驱动的加载、工作状态等信息。通过分析这些消息，可以找到问题的原因。
2. 查看系统日志：系统日志通常位于 `/var/log` 目录下，例如 `syslog`，`kern.log` 等。这些日志文件通常会包含设备驱动的错误信息，可以帮助你诊断问题。
3. 使用 `lsmod` 命令查看已加载的模块：`lsmod` 命令可以显示当前已经加载的所有设备驱动（模块）。如果你不确定一个驱动是否已经正确加载，可以使用 `lsmod | grep driver_name` 命令来检查。
在 Linux 中，设备驱动的管理是一个重要但复杂的任务，它需要你对 Linux 系统有一定的了解，同时也需要具备一定的问题诊断和解决能力。
## 内存管理
### 内存的组成
首先，我们要了解 Linux 系统中内存的主要组成部分，它们分别是物理内存、缓冲区、缓存和交换空间。
1. 物理内存：这是计算机实际拥有的 RAM，也是处理器可以直接访问的存储空间。Linux 内核会将物理内存分割成多个不同的区块，用于存储不同类型的数据。
2. 缓冲区（Buffer）：缓冲区是一个临时的数据存储区，主要用于存储正在读写的数据，如文件 I/O。缓冲区可以避免系统直接访问硬盘，从而增加了系统的性能。
3. 缓存（Cache）：缓存是存储经常使用或者最近使用的数据副本的内存区域。数据缓存的目的是提高数据读取速度，减少对硬盘的读写操作。这同样也是为了提高系统的性能。
4. 交换空间（Swap Space）：交换空间是硬盘上的一个区域，被用作当物理内存不足时的临时存储。交换空间可以被看作是物理内存的扩展，但因为硬盘的读写速度远慢于 RAM，所以使用交换空间会大大降低系统性能。
### 查看和管理内存使用
#### 查看内存使用情况
在 Linux 中，有许多命令可以帮助我们查看系统的内存使用情况，其中包括 `free`，`top` 和 `htop` 等命令。
`free` 命令可以显示系统的物理内存、交换空间和缓存的使用情况。例如，执行 `free -h` 命令，系统就会以人类可读的格式（如 KB，MB，GB）显示内存使用情况。
`top` 和 `htop` 命令可以实时显示系统的运行状态，包括内存使用情况，以及每个进程的 CPU 使用率，内存使用率等信息。这些信息可以帮助我们找出那些占用内存过多的进程，以便进行进一步的优化。
管理交换空间
在 Linux 中，我们可以使用 `swapon` 和 `swapoff` 这两个命令来管理交换空间。`swapon` 命令可以启用交换空间，例如执行 `swapon /dev/sda1` 命令就可以启用 `/dev/sda1` 分区作为交换空间。而 `swapoff` 命令则可以关闭交换空间，例如执行 `swapoff /dev/sda1` 命令就可以关闭 `/dev/sda1` 分区的交换空间。
#### 清理缓存
在 Linux 系统中，我们还可以使用一些命令来清理缓存，以便释放内存。例如，执行 `sync; echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches` 命令就会将所有待写入磁盘的数据写入磁盘，然后清理缓存。然而，清理缓存可能会暂时影响系统性能，因为系统需要重新从磁盘读取数据来填充缓存。因此，我们应在必要时才清理缓存，例如在系统内存非常紧张时。
### 内存优化
在 Linux 系统中，内存优化可能包括以下几个方面：调整内核参数，管理服务，以及设置合适的交换空间。
#### 调整内核参数
内核参数是 Linux 内核的配置选项，它们影响内核的行为和性能。例如，我们可以调整页面缓存的大小，影响系统对内存的使用。在 `/proc/sys/vm` 目录下，有许多可以调整的内核参数，例如 `swappiness`（影响系统使用交换空间的频率），`dirty_ratio`（影响系统写入磁盘的频率）等。
#### 管理服务
在 Linux 系统中，许多服务会在后台运行，占用系统资源。关闭不必要的服务可以减少内存使用，提高系统性能。我们可以使用 `systemctl` 命令来查看和管理服务，例如 `systemctl stop apache2` 命令就可以停止 Apache 服务。
#### 设置合适的交换空间
交换空间的大小和位置都会影响系统性能。一般来说，我们建议设置的交换空间大小为物理内存的 1.5 至 2 倍。而交换空间的位置，我们推荐设置在 SSD 上，因为 SSD 的读写速度快于传统的机械硬盘。