系统初始化

系统初始化
- init 初始化系统简介

Linux 系统无法自我启动，需要依靠其他的程序来引导启动，在桌面和服务器发行版中，引导启动流程如图所示：The 20,000-foot view of the Linux boot process

在嵌入式 Linux 系统中，流程如图所示：Overview of boot process

可见，无论在何种平台上，引导启动流程最终都会运行一个名为 init 的进程，在系统中的文件为 /sbin/init，该进程的实体及其相关的规则也称为初始化系统：init system；该进程是 Linux 系统启动的第一个进程，其进程 ID 为 1，负责创建系统所需的所有其它进程和守护进程，是系统中所有其它进程的「祖先」，在系统关机时该进程还负责回收所有的系统资源。

init 初始化系统简介

Linux init 初始化系统有不同的版本，如：SysVinit、systemd、openRC、runit等，点击这里了解其差异性；

SysVinit 是 System V 风格的初始化程序集合，是一个经典的初始化系统；
systemd 是 SysVinit 的替代版本，并且支持 System V 和 LSB init 脚本，常见于桌面和服务器 Linux 发行版，如 Ubuntu：

openRC 是 Gentoo 发行版的原生初始化系统，是一个基于依赖的初始化系统，用于类 Unix 系统；支持在启动时以正确的顺序启动必要的系统服务，在系统使用时管理它们，在关闭时停止它们；
runit 是一个跨平台的 Unix 初始化系统，可用于替换 SysVinit，具有服务监控、可靠的日志记录工具等特点；

嵌入式 Linux 中常用的初始化系统有BusyBox init、SysVinit 和 OpenWrt procd 等，systemd 因占用资源较多，不常用于嵌入式设备（桌面和服务器发行版初始化系统介绍请参考：101.3 Lesson 1 (lpi.org)）；

BusyBox init

BusyBox 是一个组合了许多常见 Unix 实用程序精简版的软件，其中包括一个 init 程序，如图：

该 init 程序有一个默认的配置文件 /etc/inittab，该文件包含了一系列规则，以便在系统启动或关机时执行相应的程序；BusyBox 源码中有该文件的示例和解释 inittab « examples - busybox：

规则格式：
```
<id>::<action>:<program>
```
每条规则包含 3 个字段id、action 和 program，每两个字段间用 : 隔开（注意 id 和 action 之间有一个被忽略的空字段），每条规则单独占用一行；
各字段含义如下：

字段	含义
id	指定执行程序的终端，该字段内容会被附加到 `/dev/` 再使用，例如该字段为 `ttyS0`，则最终为 `/dev/ttyS0`；如果为空，则使用 `init` 缺省的 `stdin/out`；
action	指定执行程序的条件，有效的条件为：sysinit, wait, once, respawn, askfirst, shutdown, restart, ctrlaltdel，具体含义见下表；
program	程序及其参数

action 字段条件含义如下：

action	含义
sysinit	该条件优先级高于其他所有条件，系统启动后首先执行的程序应该使用此条件，该条件下 `init` 等待程序执行完成后再执行下一条；
wait	在 sysinit 后执行，该条件下 `init` 等待程序执行完成后再执行下一条；
once	在 wait 后执行，该条件下 `init` 不等待程序执行完就开始执行下一条；
respawn	接着 once 后执行，该条件下执行程序并在程序退出时重新执行它，常用于执行守护进程；
askfirst	接着 once 后执行，功能与 respawn 类似，但在运行程序前 `init` 会提示 “Please press Enter to activate this console”，等待用户按下「回车键」之后，才开始执行程序，常用于在终端启动一个不需要登录用户名和密码的交互式 shell；
shutdown	系统「暂停/重启/关机」（ `halt/reboot/poweroff` ）或 `init` 接收到 `SIGQUIT` 信号时执行，
restart	`init` 接收到 `SIGQUIT` 信号（键盘上同时按下 `Ctrl-\\` ）时执行，表示需要重新加载 `/etc/inittab` 配置文件，如果没有定义 restart 条件，则 `SIGQUIT` 信号不起作用；
ctrlaltdel	`init` 接收到 `SIGINT` 信号（键盘上同时按下 `Ctrl-Alt-Del` ）时执行，执行完后，askfirst / respawn 的执行流程会被挂起；

如果没有定义 /etc/inittab 配置文件，BusyBox init 会使用以下默认规则：
```
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/sbin/swapoff -a
::shutdown:/bin/umount -a -r
::restart:/sbin/init
tty2::askfirst:/bin/sh
tty3::askfirst:/bin/sh
tty4::askfirst:/bin/sh
```
1. 系统启动时，首先执行程序 /etc/init.d/rcS；
2. 然后在 init 缺省的 stdin/out 和 /dev/tty2, /dev/tty3, /dev/tty4 中启动 shell: /bin/sh；
3. 系统关机时，执行 /sbin/swapoff -a 和 /bin/umount -a -r，即关闭系统交换分区和卸载所有文件系统；
4. 当键盘上同时按下 Ctrl-Alt-Del 时，执行 /sbin/reboot，即重启系统；
5. 当 init 接收到 SIGQUIT 信号时，执行 /sbin/init，即重新加载 /etc/inittab；
下面是一个来自 Buildroot 的通用配置文件：
```
# /etc/inittab

# Startup the system
::sysinit:/bin/mount -t proc proc /proc
::sysinit:/bin/mount -o remount,rw /
::sysinit:/bin/mkdir -p /dev/pts /dev/shm
::sysinit:/bin/mount -a
::sysinit:/sbin/swapon -a
null::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd /dev/fd
null::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/0 /dev/stdin
null::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/1 /dev/stdout
null::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/2 /dev/stderr
::sysinit:/bin/hostname -F /etc/hostname
# now run any rc scripts
::sysinit:/etc/init.d/rcS

# Put a getty on the serial port
ttyAMA0::respawn:/sbin/getty -L  ttyAMA0 0 vt100 # GENERIC_SERIAL

# Stuff to do for the 3-finger salute
#::ctrlaltdel:/sbin/reboot

# Stuff to do before rebooting
::shutdown:/etc/init.d/rcK
::shutdown:/sbin/swapoff -a
::shutdown:/bin/umount -a -r
```
1. 系统启动时，首先挂载 /proc 文件系统（/proc - Linux Filesystem Hierarchy），并重新挂载 / 根文件系统（The Root Directory-Linux Filesystem Hierarchy）；
2. 接着创建 /dev/pts 虚拟终端（pts(4) - Linux manual page)）和 /dev/shm 共享内存（Linux - Shared Memory (SHM) (/dev/shm)）目录；
3. 接着执行 /bin/mount -a ，将根据配置文件（Linux - FSTAB (file systems table)）/etc/fstab 以规定的格式挂载所需的文件系统；
  
  /etc/fstab 文件内容如下：
```
# <file system>	<mount pt>	<type>	<options>	<dump>	<pass>
/dev/root	/		ext2	rw,noauto	0	1
proc		/proc		proc	defaults	0	0
devpts		/dev/pts	devpts	defaults,gid=5,mode=620,ptmxmode=0666	0	0
tmpfs		/dev/shm	tmpfs	mode=0777	0	0
tmpfs		/tmp		tmpfs	mode=1777	0	0
tmpfs		/run		tmpfs	mode=0755,nosuid,nodev	0	0
sysfs		/sys		sysfs	defaults	0	0
```
  挂载后文件系统如图：
4. 接着执行 /sbin/swapon -a 打开系统交换空间（swapon(8) - Linux manual page）；
5. 接着通过命令 /bin/ln -sf 将 self 代表进程的文件描述符 0, 1, 2 和目录分别链接到 /dev 目录下的「标准输入、标准输出、标准错误」（/dev/stdin, /dev/stdout, /dev/stderr）和 /dev/fd ，可以参考：proc(5) - Linux manual page - 关于 /proc/[pid]/fd/ 的解释了解更多；
  
  相关文件如图：
6. 接着执行 /bin/hostname -F /etc/hostname 设置静态「系统主机名」（hostname(1) - Linux manual page）；
  
  如图：
7. 然后执行脚本 /etc/init.d/rcS，该脚本用于执行一些自定义的初始化操作，内容如下：
```
#!/bin/sh

# Start all init scripts in /etc/init.d
# executing them in numerical order.
#
for i in /etc/init.d/S??* ;do

     # Ignore dangling symlinks (if any).
     [ ! -f "$i" ] && continue

     case "$i" in
	*.sh)
	    # Source shell script for speed.
	    (
		trap - INT QUIT TSTP
		set start
		. $i
	    )
	    ;;
	*)
	    # No sh extension, so fork subprocess.
	    $i start
	    ;;
    esac
done
```
  该脚本将按数字顺序执行 /etc/init.d/ 目录下以字符 ‘S’ 为名称开头的脚本，如果脚本以字符串 “.sh” 为名称结尾，则在当前进程中执行；否则，脚本将在单独的进程中执行；按照 Linux 标准库的要求，这些脚本应该能接收 start 作为参数，参考: Init Script Actions (linuxfoundation.org)了解更多；
  
  如图（4 个脚本将按从上到下的顺序依次执行）：
8. 最后执行 /sbin/getty -L ttyAMA0 0 vt100 打开串口 /dev/ttyAMA0，并登录系统（agetty(8) - Linux manual page）；
  
  完整系统初始化流程如图：
  
  登录系统后，就可以在终端对系统进行更多的操作；
9. 系统关机时，首先执行脚本 /etc/init.d/rcK，该脚本中将执行一些自定义的去初始化操作，内容如下：
```
#!/bin/sh

# Stop all init scripts in /etc/init.d
# executing them in reversed numerical order.
#
for i in $(ls -r /etc/init.d/S??*) ;do

     # Ignore dangling symlinks (if any).
     [ ! -f "$i" ] && continue

     case "$i" in
	*.sh)
	    # Source shell script for speed.
	    (
		trap - INT QUIT TSTP
		set stop
		. $i
	    )
	    ;;
	*)
	    # No sh extension, so fork subprocess.
	    $i stop
	    ;;
    esac
done
```
  该脚本将按数字顺序执行 /etc/init.d/ 目录下以字母 ‘K’ 为名称开头的脚本，如果脚本以字符串 “.sh” 为名称结尾，则在当前进程中执行；否则，脚本将在单独的进程中执行；按照 Linux 标准库的要求，这些脚本应该能接收 stop 作为参数，参考: Init Script Actions (linuxfoundation.org)了解更多；
10. 接着执行 /sbin/swapoff -a 关闭系统交换空间；
11. 最后执行 /bin/umount -a -r 卸载所有文件系统；

参考链接：BusyBox init | Mastering Embedded Linux Programming - Third Edition

SysVinit

SysVinit (System V init) 的设计灵感来自于Unix System V，最早可以追溯到 1980 年代中期，最初由 Miquel van Smoorenburg 编写，用于控制系统的启动和关闭；

BusyBox init 守护程序只是 SysVinit 的精简版本。与 BusyBox init 相比，SysVinit 主要有2个优点：支持运行级别，允许从一个运行级别切换到另一个时，一次性启动或停止一组程序；以模块化的方式组织启动脚本，方便在编译或运行阶段添加脚本；

规则格式

SysVinit 配置文件 /etc/inittab 首先应通过 initdefault 指定运行级别，以下语句指定运行级别为 3：
```
id:3:initdefault:
```
系统启动后，可以通过命令 runlevel 查看运行级别，还通过命令 telinit [runlevel] 或者 init [runlevel] 切换运行级别，也可以在启动内核前通过命令行参数来指定其运行级别，如指定运行级别为 1：console=ttyAMA0 root=/dev/mmcblk1p2 1；

SysVinit 支持的规则格式比 BusyBox init 多了 runlevels 字段，如下：
```
id:runlevels:action:process
```
各字段含义如下：

字段	含义
id	唯一标识符，最多4个字符，此字段含义与 BusyBox init 含义有差异；
runlevels	指定执行程序的运行级别，在 BusyBox init 中此字段为空；
action	指定执行程序的条件，此字段含义与 BusyBox init 含义一致；
process	程序及其参数；

runlevels 字段支持的运行级别如下：

runlevels 运行级别	含义
S	运行启动任务
0	停止系统
1~5	一般用途
6	重启系统

运行级别 1~5 可以随意使用，在桌面发行版上，通常按如下方式分配： 1: 单用户 2: 无需网络配置的多用户 3: 需要网络配置的多用户 4: 未使用 5: 图形界面登录的多用户

init.d 脚本

每个运行级别都对应一个名为 /etc/init.d/rc<runlevel>.d 的目录，如图：

切换运行级别时，运行级别处理脚本 /etc/init.d/rc 接收一个参数表示将要切换到的运行级别，首先执行此运行级别对应目录 /etc/init.d/rc<runlevel>.d 下所有以大写字符 ‘K’ 开头的脚本，并使用 stop 作为其参数，然后运行相同目录下以字符 ‘S’ 开头的脚本，并使用 start 作为其参数；同样的，‘K’ 或 ‘S’ 后紧跟的 2 位数字作为脚本的执行顺序，如果数字相同，则按照其后的字符顺序来执行；

下图是一个运行级别 5 对应目录的例子：

可以看到，运行级别对应目录 rc<runlevel>.d 中的文件实际上是 init.d 目录中相应脚本的符号链接，该脚本接收 2 个参数 start 和 stop，分别用于启动和停止操作；你也可以按照此规则在 init.d 目录下添加自定义的脚本，然后符号链接到对应的运行级别目录；

以下是来自 Yocto 的 SysVinit 配置文件 /etc/inittab，可以看到 BusyBox init 的配置文件与其有很多相似的地方：
```
# /etc/inittab: init(8) configuration.
# $Id: inittab,v 1.91 2002/01/25 13:35:21 miquels Exp $

# The default runlevel.
id:5:initdefault:

# Boot-time system configuration/initialization script.
# This is run first except when booting in emergency (-b) mode.
si::sysinit:/etc/init.d/rcS

# What to do in single-user mode.
~~:S:wait:/sbin/sulogin

# /etc/init.d executes the S and K scripts upon change
# of runlevel.
#
# Runlevel 0 is halt.
# Runlevel 1 is single-user.
# Runlevels 2-5 are multi-user.
# Runlevel 6 is reboot.

l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/init.d/rc 6
# Normally not reached, but fallthrough in case of emergency.
z6:6:respawn:/sbin/sulogin
AMA0:12345:respawn:/bin/start_getty 115200 ttyAMA0 vt102
# /sbin/getty invocations for the runlevels.
#
# The "id" field MUST be the same as the last
# characters of the device (after "tty").
#
# Format:
#  <id>:<runlevels>:<action>:<process>
#

1:12345:respawn:/sbin/getty 38400 tty1
```
- 运行级别是一种在系统模式之间切换的简单方便的方法，例如：从生产模式到维护模式；
- System V init 是 Buildroot 和 Yocto 项目中的一个选项。在这两种情况下，init 脚本都被剥离了任何 bash shell 细节，因此它们能与 BusyBox ash shell 一起使用。不过 Buildroot 并没有实现真正的 System V，而只是用 System V init 替换 BusyBox init 程序，并使用了一个模仿 BusyBox 行为的 inittab；同时Buildroot 不实现运行级别，只是切换到级别 0 或 6 会停止或重新启动系统；
- 参考链接：System V init | Mastering Embedded Linux Programming - Third Edition

OpenWrt 的用户空间初始化包含一系列固定的步骤，供用户在启动时加入自己的内核模块、热插拔事件和初始化流程等；不同于 SysVinit 的初始化脚本，OpenWrt 使用一个名为 procd 的进程管理守护进程（process management daemon）来执行初始化脚本和守护进程管理，该进程同时替代了这些模块的功能：hotplug2, busybox-klogd, busybox-syslogd, busybox-watchdog；OpenWrt 初始化流程如图：

启动日志如下：

启动后 procd 进程如下：

参考链接：Init (User space boot) reference for Chaos Calmer: procd

与 BusyBox init 一样，procd 也使用 /etc/inittab 作为初始化配置文件，其格式与 BusyBox init 基本一致，启动时支持的 action 如下表：

action	含义
respawn	执行程序并在程序退出时重新执行它；
respawnlate	作用同 respawn，但是需等 procd init 完成后才开始执行程序；
askfirst	作用与 respawn 类似，但在执行程序前会提示 “Please press Enter to activate this console”，等待用户按下「回车键」之后，才开始执行程序；
askconsole	作用与 askfirst 类似，但其作用的终端是传递给内核的命令行参数 “console=”，而不是像 askfirst 一样接收一个参数作终端；
askconsolelate	作用同 askconsole，但是需等 procd init 完成后才开始执行程序；
sysinit	触发 procd 执行相应的命令，该命令由传递的参数给出，仅执行一次；这通常用于触发 `/etc/rc.d/` 目录下脚本的执行；

下面是一个 /etc/inittab 的例子：
```
::sysinit:/etc/init.d/rcS S boot
::shutdown:/etc/init.d/rcS K shutdown
ttyAMA0::askfirst:/usr/libexec/login.sh
```
1. sysinit 所在行用于执行 /etc/rc.d/ 目录下的启动脚本，这些启动脚本以字符 ‘S’ 开头，需符合 procd init 脚本规范；该行的作用相当于 /etc/rc.d/S* boot；
2. shutdown 所在行用于执行 /etc/rc.d/ 目录下的关机脚本，这些脚本以字符 ‘K’ 开头，需符合 procd init 脚本规范；该行的作用相当于 /etc/rc.d/K* shutdown；
3. askfirst 所在行用于在 /dev/ttyAMA0 执行 /usr/libexec/login.sh 登录脚本；
注意：“/etc/init.d/rcS” 字段是被忽略的（实际系统中也并不存在此脚本），可以填入任意其他字符，但不能为空；
proc init 脚本位于 /etc/rc.d/ 目录下，是 /etc/init.d/ 目录下脚本的软链接文件，如图：
一个典型的 proc init 脚本 /etc/init.d/myservice（来自：[OpenWrt Wiki] Create a sample procd init script）：
```
#!/bin/sh /etc/rc.common
 
USE_PROCD=1

START=95
STOP=01
 
start_service() {
    # Reading config
    config_load "myservice"
    local name
    local every
 
    config_get name hello name
    config_get every hello every
 
    procd_open_instance
 
    # pass config to script on start
    procd_set_param command /bin/sh "/var/myscript.sh" "$name" "$every"
    procd_set_param file /etc/config/myservice
    procd_set_param stdout 1
    procd_set_param stderr 1
    procd_close_instance
}
```
1. 第一行是 shebang 行，表示使用文件 /etc/rc.common 作为包装器来提供主要和默认功能，并在执行之前检查该脚本；有了这一行后，该脚本将默认支持一些命令，如下所示：
2. USE_PROCD=1 表示该脚本使用 procd 来管理，如果不定义此行，则该脚本不支持 procd，其用法请参考： [OpenWrt Wiki] Init Scripts；
3. START=95 和 STOP=01 表示该脚本在系统启动和关机时的顺序，以 2 位数字表示，对该脚本执行 enable 或 disable 命令时，将使用这 2 位数字在 /etc/rc.d/ 目录下新增或删除该脚本的软链接，如下图：
4. 函数 start_service() 通过读取配置文件 /etc/config/myservice 的配置项来启动脚本 /var/myscript.sh，其中，以 config_ 开头的函数来自文件 /lib/functions.sh，以 procd_ 开头的函数来自文件 /lib/functions/procd.sh (函数使用参考: [OpenWrt Wiki] procd init script parameters)，都是通过 /etc/rc.common 引入的；
  
  /var/myscript.sh 文件内容：
```
#!/bin/sh
 
# these if statements will check input and place default values if no input is given
# they will also check if input is a number so you can call 
# this script with just a time and it will still work correctly
 
if [ "$1" = '' ]; then
    name="You"
else
    if echo "$1" | egrep -q '^[0-9]+$'; then
        name="You"
    else
        name="$1"
    fi
fi
 
if [ "$2" = '' ]; then
    every="5"
else
    every="$2"
fi
 
if echo "$1" | egrep -q '^[0-9]+$'; then
    every="$1"
fi
 
#endless loop, will print the message every X seconds as indicated in the $every variable
 
while [ 1 ]; do 
    echo "Hey, $name, it's time to get up"
    sleep $every
done
 
exit 0
```
  该文件功能为间隔几秒输出一句“Hey, XX, it’s time to get up“；
  
  /etc/config/myservice 配置文件内容：
```
config myservice 'hello'
    option name 'Joost'
    option every '5'
```
  该文件采用 OpenWrt 统一的 UCI（Unified Configuration Interface）配置文件格式，其可以通过命令 uci 进行配置，如下图：
  
  参考 [OpenWrt Wiki] The UCI system 了解更多信息；

systemd

待补充