Linux从头开始学--学习笔记6--系统初始化，内存，swap，oom，网络和网络接口

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这是我从头开始学习Linux的学习笔记，后续还会更新。

记录自己的技术成长，也希望和大家分享交流，欢迎关注~

本笔记为coursera网站课程《Linux for Developers》的学习笔记

学习目标

Understand how the system boots, the role of GRUB and the contents of the /boot directory
Discuss the next steps of launching essential functions using systemd and its predecessors, SysVinit and Upstart
Kill the graphical desktop interface and enter a pure text-based terminal
Analyze memory usage and the role of swap space, and how the system reacts to running out of memory
Discuss how the system works with network devices and how they are identified and named
Configure and bring up or down network interfaces and networks

在这个模块中，让我们讨论系统的一些重要组件。特别是，我们要谈论系统初始化，我们要谈论内存，我们要谈论网络接口。

系统启动时，将经历多个阶段。 第一个是您的早期引导阶段，该阶段相当依赖于硬件，并且涉及启动Linux内核。在大多数Linux系统上，这涉及使用所谓的GRUB，它使您可以在启动时选择其他操作系统，内核选项等。在嵌入式系统上，您将执行其他操作，例如Das U-Boot。 下一阶段与各种系统服务的实际初始化有关，这实际上是系统管理的问题，而不是早期启动。 我们要谈的第二件事是内存。 我们想谈谈您的系统如何使用内存，以及在内存不足并必须使用所谓的交换空间时该如何处理。此时，您可能会发现您的OOM杀手（Out of Memory杀手）被调用，它决定了内存不足时如何处理事务。我们要谈的第三件事是网络和网络设备。我们想谈谈如何启用网络设备，确保它们根据需要上升或下降以及如何命名。因此，让我们开始讨论这三个主题。

一.System Initialization

1.系统启动

所有基于x86的物理Linux系统（包括笔记本电脑，大多数工作站等）都使用称为GRUB的软件系统，该系统代表GRand Unified Bootloader，它处理系统启动的最早阶段。现在，GRUB具有许多重要功能，您可以启动到其他操作系统，在启动时进行选择。 这称为引导加载程序。

可能有一台装有Windows的计算机，一台以上具有Linux发行版的计算机，一台Red Hat，一台Ubuntu，一台Debian等。因此，您可以在开始时进行选择。在给定的操作系统中，您可以选择要启动的内核，也可以使用稍后将要讨论的其他初始ramdisk，也可以指定系统应以的不同选项。此外，如果需要，您可以通过输入一个交互式系统来更改系统启动时的内容，该系统允许您更改系统启动时使用的选项和其他变量，而不必在计算机上实际更改配置文件。

在GRUB 2中，实际上只有一个配置文件，在重要的启动目录中，它称为“ grub.cfg”。确切位置取决于您的系统类型。在“ /etc/grub.d”下，有许多文件控制GRUB的工作方式，在“ / etc / default”下，有一个名为 “ grub”，其中包含GRUB所需的基本参数。 这些文件可以手工编辑，并用于生成“ grub.cfg”。

当系统启动时，它始于所谓的BIOS空间，基本输入输出系统或CMOS，用于识别，初始化最重要的系统并连接外围设备，例如作为键盘和初始硬盘的输入，这样您就可以实际加载内核了。您可以在BIOS中选择有关启动外围设备的选择，例如USB驱动器**。内核本身可以有不同的名称，通常是“ vmlinuz”，然后附加一个版本号。** “ z”表示内核已压缩，加载时会自动解压缩。

2./ boot目录

/ boot目录有多个可能的内核可以启动，每个内核都有四个与之关联的文件：

vmlinuz是压缩内核
initramfs包含一个完整的初始根文件系统（作为ramdisk加载），以及一些必需的内核模块（通常是设备驱动程序）以及加载它们所需的程序，这些模块是加载实际文件系统所必需的，这时将其丢弃
config包含有关内核如何编译的所有详细信息；系统操作不需要
System.map列出了完整的内核符号表；它仅用于调试目的

3.使用GRUB（演示）

我们将演示如何使用GRUB选择不同的操作系统，让我们使用VMWare启动CentOS 7虚拟机。

可以在GRUB屏幕上选择要启动的内核。在这里可以选则是否以图形界面进入centos系统。

我采用如下方法：

在root用户权限下，设置centos系统默认的启动方式，输入命令如下：

systemctl set-default multi-user.target  //设置成命令模式
systemctl set-default graphical.target  //设置成图形模式

重启系统即可。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6ng7hLdn-1614661890094)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212112653451.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ibPaDUie-1614661890101)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212112836868.png)]$

4.系统初始化

我们将考虑在内核启动和系统开始运行之后发生的情况。在系统上运行的第一个程序称为init。通常，它的进程ID为1，以后的进程具有更高的进程ID。启动需要多长时间是非常重要的。

在SystemV初始化系统中，从0到6有不同的运行级别。 我们将向您显示一张详细定义它们的表格。但通常将完整的图形系统视为运行级别5。 运行级别1是单用户模式或紧急模式。对于没有图形界面的服务器，默认级别通常为3。这是出于特殊目的，例如，只有一个用户在那里维修系统。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7Q5SZrn0-1614661890104)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212114111791.png)]$

可以使用runlevel命令简单地显示当前运行级别，如下所示：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fj4r7rjZ-1614661890107)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212114224384.png)]$

某些发行版仍保留运行级别的概念，这些运行级别是根据systemd目标定义的，因此您可以使用诸如telinit之类的命令。telinit可用于更改系统的运行级别。例如，要从运行级别3转到运行级别5，请输入：

$ sudo /sbin/telinit 5

二.Memory

1.内存

Linux和所有现代操作系统一样，都使用虚拟内存系统（VM）：虚拟内存大于物理内存。

每个进程都有其自己的受保护地址空间。地址是虚拟的，每当进程需要访问内存时，内核都必须将地址与物理地址进行转换。 **内核本身也使用虚拟地址。**但是，转换可以像偏移量一样简单，具体取决于体系结构和所使用的内存类型。内核允许将公平的内存份额分配给每个正在运行的进程，并协调进程之间共享内存的时间。此外，映射可用于将文件直接链接到进程的虚拟地址空间。

使用free-m或者free-mt可以查看内存使用情况（单位mb）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WOrlaES9-1614661890108)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212115403090.png)]$

这个系统有972m的ram和511m的swap，正在使用的很多内存都在缓存中，其中大部分都用于缓存最近访问过的文件的内容。如果释放此缓存，则内存使用量将大大减少。这可以通过（以root用户身份）执行：

2.释放内存

因为系统已经将内存管理的很好。但是凡事也有例外，有的时候内存会被cache占用掉，导致系统使用SWAP空间影响性能，例如当你在linux下频繁存取文件后,物理内存会很快被用光,当程序结束后,内存不会被正常释放,而是一直作为caching。，此时就需要执行释放内存（清理缓存）的操作了。可以手动释放内存：

sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'
sudo sh -c 'echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches'
sudo sh -c 'echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches'

1：释放页缓存 2：释放dentries和inodes 3：释放所有缓存

如果我们需要释放所有缓存，就输入下面的命令： echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

释放后结果如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NqhsUGiP-1614661890110)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212120231525.png)]$

**应用程序不能直接写入磁盘等存储介质。它们与虚拟内存系统连接，通常首先将写入的数据块放入高速缓存或缓冲区中，然后在方便或有必要时将其刷新到磁盘中。**因此，在大多数系统中，此缓冲/缓存层中使用的内存要比应用程序直接用于其他目的的内存更多。

3.swap

Linux采用了一个虚拟内存系统，在该虚拟内存系统中，操作系统可以像实际拥有的更多内存一样运行。这种内存过量使用通过两种方式起作用：

一种：许多程序并未使用所有被授予使用权限的内存。有时，这是因为子进程利用COW（写时复制）技术继承了父级内存区域的副本，在这种技术中，子进程仅在有更改时才获得唯一的副本（逐页）。

另一种：当内存压力变得很重要时，可以将较少活动的内存区域换出到磁盘，以便仅在需要时再次调用。这种交换通常是针对一个或多个专用分区或文件进行的；Linux允许多个交换区域，因此可以动态调整需求。每个区域都有一个优先级，并且在填充较高优先级区域之前不会使用较低优先级区域。

可以使用如下命令查询可交换区域：

[root@localhost ayuan]# cat /proc/swaps
Filename				Type		Size	Used	Priority
/dev/sda2                               partition	524284	7432	-2

总的524284，已经使用的是7432。

唯一涉及交换的命令是用于格式化交换文件或分区的mkswap，用于启用一个（或所有）交换区域的swapon和用于禁用一个（或所有）交换区域的swapoff。

在任何给定时间，大多数内存都用于缓存文件内容，以防止实际超出实际需要的次数或次优顺序或时间。这样的内存页面永远不会被交换掉，因为后备存储就是文件本身，因此写出交换内容将毫无意义。

与其他操作系统不同，内核本身使用的Linux内存（而不是应用程序内存）从不交换。

4.线程模型

除了实际的执行程序外，还有其他信息，例如环境变量，附加的内存区域，当前目录和正在使用的文件是什么，等等。如果一个进程中有多个线程， 他们共享此信息。 进程只是程序的运行实例。

拥有多线程程序会很好，这有两个原因。例如，您可能一次执行多次相同的任务。例如，您可以拥有一台服务器，正在处理许多客户，对于每个客户端，您将创建一个线程来处理该客户端，或者您可能有一个正在做多件事的过程。

有多种编码多线程程序的方法，但是可移植的方法是使用所谓的POSIX线程库或pthreads库。写一次的理想选择并在任何地方使用，并具有完整的可移植性只是一个理想，很难实现。

5.OOM内存不足杀手

当Linux内核承受极大内存压力时，它将调用可怕的OOM（内存不足）杀手。这试图选择杀死“最佳”进程以帮助系统正常恢复。

我们将迫使系统在内存不足的情况下观察发生的情况。要做的第一件事是打开一个终端窗口，然后在其中键入：$ sudo tail -f /var/log/messages

可以关闭交换区域，再打开交换区域

$ sudo /sbin/swapoff -a
$ sudo /sbin/swapon -a

现在我们运行一个消耗大量内存的程序

/* simple program to defragment memory, J. Cooperstein 2/04
 @*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define MB (1024*1024)


int main(int argc, char **argv)
{
int j, m;
char *c;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr,
"You must give the memory in MB to waste, aborting\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
m = atoi(argv[1]);
for (j = 0; j < m; j++) {
/* yes we know this is a memory leak, no free, that’s the idea! */
c = malloc(MB);
memset(c, j, MB);
printf("%5d", j);
fflush(stdout);
}
printf("All memory allocated, pausing 5 seconds\n");
sleep(5);
printf("Quitting and releasing memory\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}

需要消耗多少MB作为参数。

三.Networking

1.网络和网络接口

Linux中的绝大多数网络编程都是使用socket interface完成的。因此，符合标准的程序只需很少的信息就可以在Linux上正常工作。

Linux网络实现中有许多增强功能和新功能，例如新型的地址和协议系列。例如，Linux提供了netlink接口，该接口允许打开内核子系统与应用程序（或其他内核子系统）之间的socket连接。它已被有效地部署以实现防火墙和路由应用程序。

有线以太网网络设备的名称已被称为eth0，eth1等，而无线设备的名称已被称为wlan0，wlan1等。

通过ifconfig实用程序收集有关系统上活动网络接口的基本信息：

[root@localhost ayuan]# /sbin/ifconfig
ens32: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.126.158  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.126.255
        inet6 fe80::31bb:a215:3b5a:3505  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:5f:00:d9  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 1191  bytes 546739 (533.9 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 638  bytes 55460 (54.1 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 76  bytes 6624 (6.4 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 76  bytes 6624 (6.4 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

virbr0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.122.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.122.255
        ether 52:54:00:d9:d6:5a  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        

// inet ：网卡的IP地址。
// netmask ：网络掩码。
// broadcast ：广播地址。
inet 192.168.1.135 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168.1.255
 
 
// 网卡的IPv6地址
inet6 fe80::2aa:bbff:fecc:ddee prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
 
// 连接类型：Ethernet (以太网) HWaddr (硬件mac地址)
// txqueuelen (网卡设置的传送队列长度)
ether 00:aa:bb:cc:dd:ee txqueuelen 1000 (Ethernet)
 
 
// RX packets 接收时，正确的数据包数。
// RX bytes 接收的数据量。
// RX errors 接收时，产生错误的数据包数。
// RX dropped 接收时，丢弃的数据包数。
// RX overruns 接收时，由于速度过快而丢失的数据包数。
// RX frame 接收时，发生frame错误而丢失的数据包数。

显示的信息包括有关硬件MAC地址，MTU（最大传输单元）和设备所绑定的IRQ的信息。还显示发送，接收或导致错误的数据包和字节数。可见，有一个绑定到eth32网卡，以及回送接口lo，该接口处理绑定到该计算机的网络流量。

可以通过查看**/ proc / net / dev来**以缩写形式查看统计信息

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9z3SzAt0-1614661890111)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212145737380.png)]$

2.Using Predictable Network Interface Device Names

我们将考虑如何实际命名网络接口设备。

曾经有一段时间，这是一个非常静态的情况。您的计算机连接了一个或多个网络设备，它们没有随时间变化，它们通常是有线设备，而不是无线设备。因此，为其分配一个特定名称并坚持使用，并使用该名称在您所有的系统管理脚本中都是可以接受的。

当您考虑无线时，您可能有许多可用的无线网络，您必须选择一个，依此类推。另外，就连以太网连接而言或网卡，您的计算机上可能连接了多个网卡。如果您不知道找到这些设备的顺序，可能会有问题。

所有发行版采用的现代方法称为可预测的网络接口设备方案。他们可以使用实际的地理描述，也可以使用实际的连接的位置（所谓的MAC地址）您拥有的硬件设备，无论是无线网卡还是以太网卡。或者您可以回到原来的简单顺序它的文件系统如eth0，eth1，wlan0，wlan1等。**所有这些都可以通过管理来更改。**您可以决定想要什么。为了在网络设备上进行系统管理，您必须知道他们的名字。

3.Networking and Network Interfaces

To bring a network connection up and assign a static address, you can do:

$ sudo /sbin/ifconfig eth0 up 192.***.1.100

To bring it up and get it an assigned address from a DHCP server, you can do:

// 配置ip地址
ifconfig eth0 192.***.1.100
 
// 配置ip地址和子网掩码
ifconfig eth0 192.***.1.100 netmask 255.255.255.0
 
// 配置ip地址、子网掩码和广播地址
ifconfig eth0 192.***.1.100 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.***.1.255

尽管ifconfig已经可靠地使用了很多年，但是ip实用程序是较新的（并且用途更多）。从技术上讲，它效率更高，因为它使用netlink socket ** 而不是ioctl**系统调用。

可以使用ip和ifconfig配置ip地址

$ ip link  %显示所有网络接口的信息
$ ip -s link show eth0   %显示有关eth0网络接口的信息
$ sudo ip addr add 192.***.1.7 dev eth0   %设置eth0的IP地址

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NmapaIHi-1614661890112)(C:\Users\YUANMU\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201212151813121.png)]$

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