子贡问为仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。”——孔子（春秋）《论语·卫灵公》

　　【工欲善其事，必先利其器】

　　掌握一门技术，知道其发展历程是非常重要的，知其然，然后知其所以然。能够达到然与所以然的双知，需要了解整个发展历程。就像我们小时候做诗词鉴赏的时候，需要了解诗人的写作背景一样。

　　切入主题，了解Linux系统的发展历程，自认为能够更好的了解系统，掌握系统。

　　systemvinit -- > upstart -- > systemd

Upstart 简介

　　假如您使用的 Linux 发行版是 Ubuntu，很可能会发现在您的计算机上找不到/etc/inittab 文件了，这是因为 Ubuntu 使用了一种被称为 upstart 的新型 init 系统。

开发 Upstart 的缘由

　　大约在 2006 年或者更早的时候， Ubuntu 开发人员试图将 Linux 安装在笔记本电脑上。在这期间技术人员发现经典的 sysvinit 存在一些问题：它不适合笔记本环境。这促使程序员 Scott James Remnant 着手开发 upstart。

　　当 Linux 内核进入 2.6 时代时，内核功能有了很多新的更新。新特性使得 Linux 不仅是一款优秀的服务器操作系统，也可以被用于桌面系统，甚至嵌入式设备。桌面系统或便携式设备的一个特点是经常重启，而且要频繁地使用硬件热插拔技术。在现代计算机系统中，硬件繁多、接口有限，人们并非将所有设备都始终连接在计算机上，比如 U 盘平时并不连接电脑，使用时才插入 USB 插口。因此，当系统上电启动时，一些外设可能并没有连接。而是在启动后当需要的时候才连接这些设备。在 2.6 内核支持下，一旦新外设连接到系统，内核便可以自动实时地发现它们，并初始化这些设备，进而使用它们。这为便携式设备用户提供了很大的灵活性。

　　可是这些特性为 sysvinit 带来了一些挑战。当系统初始化时，需要被初始化的设备并没有连接到系统上；比如打印机。为了管理打印任务，系统需要启动 CUPS 等服务，而如果打印机没有接入系统的情况下，启动这些服务就是一种浪费。Sysvinit 没有办法处理这类需求，它必须一次性把所有可能用到的服务都启动起来，即使打印机并没有连接到系统，CUPS 服务也必须启动。

　　还有网络共享盘的挂载问题。在/etc/fstab 中，可以指定系统自动挂载一个网络盘，比如 NFS，或者 iSCSI 设备。在本文的第一部分 sysvinit 的简介中可以看到，sysvinit 分析/etc/fstab 挂载文件系统这个步骤是在网络启动之前。可是如果网络没有启动，NFS 或者 iSCSI 都不可访问，当然也无法进行挂载操作。Sysvinit 采用 netdev 的方式来解决这个问题，即/etc/fstab 发现 netdev 属性挂载点的时候，不尝试挂载它，在网络初始化并使能之后，还有一个专门的 netfs 服务来挂载所有这些网络盘。这是一个不得已的补救方法，给管理员带来不便。部分新手管理员甚至从来也没有听说过 netdev 选项，因此经常成为系统管理的一个陷阱。

　　针对以上种种情况，Ubuntu 开发人员在评估了当时的几个可选 init 系统之后，决定重新设计和开发一个全新的 init 系统，即 UpStart。UpStart 基于事件机制，比如 U 盘插入 USB 接口后，udev 得到内核通知，发现该设备，这就是一个新的事件。UpStart 在感知到该事件之后触发相应的等待任务，比如处理/etc/fstab 中存在的挂载点。采用这种事件驱动的模式，upstart 完美地解决了即插即用设备带来的新问题。

　　此外，采用事件驱动机制也带来了一些其它有益的变化，比如加快了系统启动时间。sysvinit 运行时是同步阻塞的。一个脚本运行的时候，后续脚本必须等待。这意味着所有的初始化步骤都是串行执行的，而实际上很多服务彼此并不相关，完全可以并行启动，从而减小系统的启动时间。在 Linux 大量应用于服务器的时代，系统启动时间也许还不那么重要；然而对于桌面系统和便携式设备，启动时间的长短对用户体验影响很大。此外云计算等新的 Server 端技术也往往需要单个设备可以更加快速地启动。

　　UpStart 满足了这些需求，目前不仅桌面系统 Ubuntu 采用了 UpStart，甚至企业级服务器级的 RHEL 也默认采用 UpStart 来替换 sysvinit 作为 init 系统。

Upstart 的特点

UpStart 解决了之前提到的 sysvinit 的缺点。采用事件驱动模型，UpStart 可以：

• 更快地启动系统
• 当新硬件被发现时动态启动服务(PnP)
• 硬件被拔除时动态停止服务

这些特点使得 UpStart 可以很好地应用在桌面或者便携式系统中，处理这些系统中的动态硬件插拔特性。

Upstart 概念和术语

　　Upstart 的基本概念和设计清晰明确。UpStart 主要的概念是 job 和 event。Job 就是一个工作单元，用来完成一件工作，比如启动一个后台服务，或者运行一个配置命令。每个 Job 都等待一个或多个事件，一旦事件发生，upstart 就触发该 job 完成相应的工作。

Job

Job 就是一个工作的单元，一个任务或者一个服务。可以理解为 sysvinit 中的一个服务脚本。有三种类型的工作：

• task job；
• service job；
• abstract job；

task job 代表在一定时间内会执行完毕的任务，比如删除一个文件；

service job 代表后台服务进程，比如 apache httpd。这里进程一般不会退出，一旦开始运行就成为一个后台精灵进程，由 init 进程管理，如果这类进程退出，由 init 进程重新启动，它们只能由 init 进程发送信号停止。它们的停止一般也是由于所依赖的停止事件而触发的，不过 upstart 也提供命令行工具，让管理人员手动停止某个服务；

Abstract job 仅由 upstart 内部使用，仅对理解 upstart 内部机理有所帮助。我们不用关心它。

　　除了以上的分类之外，还有另一种工作（Job）分类方法。Upstart 不仅可以用来为整个系统的初始化服务，也可以为每个用户会话（session）的初始化服务。系统的初始化任务就叫做 system job，比如挂载文件系统的任务就是一个 system job；用户会话的初始化服务就叫做 session job。

Job 生命周期

　　Upstart 为每个工作都维护一个生命周期。一般来说，工作有开始，运行和结束这几种状态。为了更精细地描述工作的变化，Upstart 还引入了一些其它的状态。比如开始就有开始之前(pre-start)，即将开始(starting)和已经开始了(started)几种不同的状态，这样可以更加精确地描述工作的当前状态。

　　工作从某种初始状态开始，逐渐变化，或许要经历其它几种不同的状态，最终进入另外一种状态，形成一个状态机。在这个过程中，当工作的状态即将发生变化的时候，init 进程会发出相应的事件（event）。

表 1.Upstart 中 Job 的可能状态　　

　　图1.job状态机

　　中有四个状态会引起 init 进程发送相应的事件，表明该工作的相应变化：

• Starting
• Started
• Stopping
• Stopped

　　而其它的状态变化不会发出事件。那么我们接下来就来看看事件的详细含义吧。

事件 Event

　　顾名思义，Event 就是一个事件。事件在 upstart 中以通知消息的形式具体存在。一旦某个事件发生了，Upstart 就向整个系统发送一个消息。没有任何手段阻止事件消息被 upstart 的其它部分知晓，也就是说，事件一旦发生，整个 upstart 系统中所有工作和其它的事件都会得到通知。

Event 可以分为三类: signal，methods 或者 hooks。

Signals

Signal 事件是非阻塞的，异步的。发送一个信号之后控制权立即返回。

Methods

Methods 事件是阻塞的，同步的。

Hooks

Hooks 事件是阻塞的，同步的。它介于 Signals 和 Methods 之间，调用发出 Hooks 事件的进程必须等待事件完成才可以得到控制权，但不检查事件是否成功。

事件是个非常抽象的概念，下面我罗列出一些常见的事件，希望可以帮助您进一步了解事件的含义：

• 系统上电启动，init 进程会发送"start"事件
• 根文件系统可写时，相应 job 会发送文件系统就绪的事件
• 一个块设备被发现并初始化完成，发送相应的事件
• 某个文件系统被挂载，发送相应的事件
• 类似 atd 和 cron，可以在某个时间点，或者周期的时间点发送事件
• 另外一个 job 开始或结束时，发送相应的事件
• 一个磁盘文件被修改时，可以发出相应的事件
• 一个网络设备被发现时，可以发出相应的事件
• 缺省路由被添加或删除时，可以发出相应的事件

不同的 Linux 发行版对 upstart 有不同的定制和实现，实现和支持的事件也有所不同，可以用man 7 upstart-events来查看事件列表。

Job 和 Event 的相互协作

　　Upstart 就是由事件触发工作运行的一个系统，每一个程序的运行都由其依赖的事件发生而触发的。

　　系统初始化的过程是在工作和事件的相互协作下完成的，可以大致描述如下：系统初始化时，init 进程开始运行，init 进程自身会发出不同的事件，这些最初的事件会触发一些工作运行。每个工作运行过程中会释放不同的事件，这些事件又将触发新的工作运行。如此反复，直到整个系统正常运行起来。

究竟哪些事件会触发某个工作的运行？这是由工作配置文件定义的。

工作配置文件

　　任何一个工作都是由一个工作配置文件（Job Configuration File）定义的。这个文件是一个文本文件，包含一个或者多个小节（stanza）。每个小节是一个完整的定义模块，定义了工作的一个方面，比如 author 小节定义了工作的作者。工作配置文件存放在/etc/init 下面，是以.conf 作为文件后缀的文件。

清单 1. 一个最简单的工作配置文件

#This is a simple demo of Job Configure file

#This line is comment, start with #

#Stanza , The author

author “Liu Ming”

#Stanza , Description

description “This job only has author and description, so no use, just a demo”

　上面的例子不会产生任何作用，一个真正的工作配置文件会包含很多小节，其中比较重要的小节有以下几个：

"expect" Stanza

　　Upstart 除了负责系统的启动过程之外，和 SysVinit 一样，Upstart 还提供一系列的管理工具。当系统启动之后，管理员可能还需要进行维护和调整，比如启动或者停止某项系统服务。或者将系统切换到其它的工作状态，比如改变运行级别。本文后续将详细介绍 Upstart 的管理工具的使用。

　　为了启动，停止，重启和查询某个系统服务。Upstart 需要跟踪该服务所对应的进程。比如 httpd 服务的进程 PID 为 1000。当用户需要查询 httpd 服务是否正常运行时，Upstart 就可以利用 ps 命令查询进程 1000，假如它还在正常运行，则表明服务正常。当用户需要停止 httpd 服务时，Upstart 就使用 kill 命令终止该进程。为此，Upstart 必须跟踪服务进程的进程号。

　　部分服务进程为了将自己变成后台精灵进程(daemon)，会采用两次派生(fork)的技术，另外一些服务则不会这样做。假如一个服务派生了两次，那么 UpStart 必须采用第二个派生出来的进程号作为服务的 PID。但是，UpStart 本身无法判断服务进程是否会派生两次，为此在定义该服务的工作配置文件中必须写明 expect 小节，告诉 UpStart 进程是否会派生两次。

Expect 有两种，"expect fork"表示进程只会 fork 一次；"expect daemonize"表示进程会 fork 两次。

"exec" Stanza 和"script" Stanza

　　一个 UpStart 工作一定需要做些什么，可能是运行一条 shell 命令，或者运行一段脚本。用"exec"关键字配置工作需要运行的命令；用"script"关键字定义需要运行的脚本。

Session Init

　　UpStart 还可以用于管理用户会话的初始化。在我写这篇文章的今天，多数 Linux 发行版还没有使用 UpStart 管理会话。只有在 Ubuntu Raring 版本中，使用 UpStart 管理用户会话的初始化过程。

　　首先让我们了解一下 Session 的概念。Session 就是一个用户会话，即用户从远程或者本地登入系统开始工作，直到用户退出。这整个过程就构成一个会话。

每个用户的使用习惯和使用方法都不相同，因此用户往往需要为自己的会话做一个定制，比如添加特定的命令别名，启动特殊的应用程序或者服务，等等。这些工作都属于对特定会话的初始化操作，因此可以被称为 Session Init。

　　用户使用 Linux 可以有两种模式：字符模式和图形界面。在字符模式下，会话初始化相对简单。用户登录后只能启动一个 Shell，通过 shell 命令使用系统。各种 shell 程序都支持一个自动运行的启动脚本，比如~/.bashrc。用户在这些脚本中加入需要运行的定制化命令。字符会话需求简单，因此这种现有的机制工作的很好；在图形界面下，事情就变得复杂一些。用户登录后看到的并不是一个 shell 提示符，而是一个桌面。一个完整的桌面环境由很多组件组成。

　　一个桌面环境包括 window manager，panel 以及其它一些定义在/usr/share/gnome-session/sessions/下面的基本组件；此外还有一些辅助的应用程序，共同帮助构成一个完整的方便的桌面，比如 system monitors，panel applets，NetworkManager，Bluetooth，printers 等。当用户登录之后，这些组件都需要被初始化，这个过程比字符界面要复杂的多。目前启动各种图形组件和应用的工作由 gnome-session 完成。过程如下：

　　以 Ubuntu 为例，当用户登录 Ubuntu 图形界面后，显示管理器(Display Manager)lightDM 启动 Xsession。Xsession 接着启动 gnome-session，gnome-session 负责其它的初始化工作，然后就开始了一个 desktop session。

传统desktop session的启动过程

init

 |- lightdm

 |   |- Xorg

 |   |- lightdm ---session-child

 |        |- gnome-session --session=ubuntu

 |             |- compiz

 |             |- gwibber

 |             |- nautilus

 |             |- nm-applet

 |             :

 |             :

 |

 |- dbus-daemon --session

 |

 :

 :

　　这个过程有一些缺点（和 sysVInit 类似）。一些应用和组件其实并不需要在会话初始化过程中启动，更好的选择是在需要它们的时候才启动。比如 update-notifier 服务，该服务不停地监测几个文件系统路径，一旦这些路径上发现可以更新的软件包，就提醒用户。这些文件系统路径包括新插入的 DVD 盘等。Update-notifier 由 gnome-session 启动并一直运行着，在多数情况下，用户并不会插入新的 DVD，此时 update-notifier 服务一直在后台运行并消耗系统资源。更好的模式是当用户插入 DVD 的时候再运行 update-notifier。这样可以加快启动时间，减小系统运行过程中的内存等系统资源的开销。对于移动，嵌入式等设备等这还意味着省电。除了 Update-notifier 服务之外，还有其它一些类似的服务。比如 Network Manager，一天之内用户很少切换网络设备，所以大部分时间 Network Manager 服务仅仅是在浪费系统资源；再比如 backup manager 等其它常驻内存，后台不间断运行却很少真正被使用的服务。

　　用 UpStart 的基于事件的按需启动的模式就可以很好地解决这些问题，比如用户插入网线的时候才启动 Network Manager，因为用户插入网线表明需要使用网络，这可以被称为按需启动。

下图描述了采用 UpStart 之后的会话初始化过程。

init

 |- lightdm

 |   |- Xorg

 |   |- lightdm ---session-child

 |        |- session-init # <-- upstart running as normal user

 |             |- dbus-daemon --session

 |             |- gnome-session --session=ubuntu

 |             |- compiz

 |             |- gwibber

 |             |- nautilus

 |             |- nm-applet

 |             :

 |             :

 :

 :

UpStart 使用

有两种人员需要了解 Upstart 的使用。第一类是系统开发人员，比如 MySQL 的开发人员。它们需要了解如何编写工作配置文件，以便用 UpStart 来管理服务。比如启动，停止 MySQL 服务。

另外一种情况是系统管理员，它们需要掌握 Upstart 的管理命令以便配置和管理系统的初始化，管理系统服务。

系统开发人员需要了解的 UpStart 知识

系统开发人员不仅需要掌握工作配置文件的写法，还需要了解一些针对服务进程编程上的要求。本文仅列出了少数工作配置文件的语法。要全面掌握工作配置文件的写法，需要详细阅读 Upstart 的手册。这里让我们来分析一下如何用 Upstart 来实现传统的运行级别，进而了解如何灵活使用工作配置文件。

Upstart 系统中的运行级别

Upstart 的运作完全是基于工作和事件的。工作的状态变化和运行会引起事件，进而触发其它工作和事件。

而传统的 Linux 系统初始化是基于运行级别的，即 SysVInit。因为历史的原因，Linux 上的多数软件还是采用传统的 SysVInit 脚本启动方式，并没有为 UpStart 开发新的启动脚本，因此即便在 Debian 和 Ubuntu 系统上，还是必须模拟老的 SysVInit 的运行级别模式，以便和多数现有软件兼容。

虽然 Upstart 本身并没有运行级别的概念，但完全可以用 UpStart 的工作模拟出来。让我们完整地考察一下 UpStart 机制下的系统启动过程。

系统启动过程

下图描述了 UpStart 的启动过程。

图 4.UpStart 启动过程

• 系统上电后运行 GRUB 载入内核。内核执行硬件初始化和内核自身初始化。在内核初始化的最后，内核将启动 pid 为 1 的 init 进程，即 UpStart 进程。
• Upstart 进程在执行了一些自身的初始化工作后，立即发出"startup"事件。上图中用红色方框加红色箭头表示事件，可以在左上方看到"startup"事件。
• 所有依赖于"startup"事件的工作被触发，其中最重要的是 mountall。mountall 任务负责挂载系统中需要使用的文件系统，完成相应工作后，mountall 任务会发出以下事件：local-filesystem，virtual-filesystem，all-swaps，其中 virtual-filesystem 事件触发 udev 任务开始工作。任务 udev 触发 upstart-udev-bridge 的工作。Upstart-udev-bridge 会发出 net-device-up IFACE=lo 事件，表示本地回环 IP 网络已经准备就绪。同时，任务 mountall 继续执行，最终会发出 filesystem 事件。此时，任务 rc-sysinit 会被触发，因为 rc-sysinit 的 start on 条件如下：

  start on filesystem and net-device-up IFACE=lo 

• 任务 rc-sysinit 调用 telinit。Telinit 任务会发出 runlevel 事件，触发执行/etc/init/rc.conf。

  rc.conf 执行/etc/rc$.d/目录下的所有脚本，和 SysVInit 非常类似，读者可以参考本文第一部分的描述。

【参考】

　　http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/1407_liuming_init2/index.html