Linux 的啓動流程

轉自 http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/08/linux_boot_process.html


作者: 阮一峯

日期: 2013年8月17日

半年前,我寫了《計算機是如何啓動的?》,探討BIOS和主引導記錄的作用。

那篇文章不涉及操作系統,只與主板的板載程序有關。今天,我想接着往下寫,探討操作系統接管硬件以後發生的事情,也就是操作系統的啓動流程。

這個部分比較有意思。因爲在BIOS階段,計算機的行爲基本上被寫死了,程序員可以做的事情並不多;但是,一旦進入操作系統,程序員幾乎可以定製所有方面。所以,這個部分與程序員的關係更密切。

我主要關心的是Linux操作系統,它是目前服務器端的主流操作系統。下面的內容針對的是Debian發行版,因爲我對其他發行版不夠熟悉。

第一步、加載內核

操作系統接管硬件以後,首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。

以我的電腦爲例,/boot 目錄下面大概是這樣一些文件:


  $ ls /boot
  
  config-3.2.0-3-amd64
  config-3.2.0-4-amd64
  grub
  initrd.img-3.2.0-3-amd64
  initrd.img-3.2.0-4-amd64
  System.map-3.2.0-3-amd64
  System.map-3.2.0-4-amd64
  vmlinuz-3.2.0-3-amd64
  vmlinuz-3.2.0-4-amd64
  

第二步、啓動初始化進程

內核文件加載以後,就開始運行第一個程序 /sbin/init,它的作用是初始化系統環境。

由於init是第一個運行的程序,它的進程編號(pid)就是1。其他所有進程都從它衍生,都是它的子進程。

第三步、確定運行級別

許多程序需要開機啓動。它們在Windows叫做"服務"(service),在Linux就叫做"守護進程"(daemon)。

init進程的一大任務,就是去運行這些開機啓動的程序。但是,不同的場合需要啓動不同的程序,比如用作服務器時,需要啓動Apache,用作桌面就不需要。Linux允許爲不同的場合,分配不同的開機啓動程序,這就叫做"運行級別"(runlevel)。也就是說,啓動時根據"運行級別",確定要運行哪些程序。

Linux預置七種運行級別(0-6)。一般來說,0是關機,1是單用戶模式(也就是維護模式),6是重啓。運行級別2-5,各個發行版不太一樣,對於Debian來說,都是同樣的多用戶模式(也就是正常模式)。

init進程首先讀取文件 /etc/inittab,它是運行級別的設置文件。如果你打開它,可以看到第一行是這樣的:


  id:2:initdefault:
  

initdefault的值是2,表明系統啓動時的運行級別爲2。如果需要指定其他級別,可以手動修改這個值。

那麼,運行級別2有些什麼程序呢,系統怎麼知道每個級別應該加載哪些程序呢?......回答是每個運行級別在/etc目錄下面,都有一個對應的子目錄,指定要加載的程序。


  /etc/rc0.d
  /etc/rc1.d
  /etc/rc2.d
  /etc/rc3.d
  /etc/rc4.d
  /etc/rc5.d
  /etc/rc6.d
  

上面目錄名中的"rc",表示run command(運行程序),最後的d表示directory(目錄)。下面讓我們看看 /etc/rc2.d 目錄中到底指定了哪些程序。


  $ ls  /etc/rc2.d
  
  README
  S01motd
  S13rpcbind
  S14nfs-common
  S16binfmt-support
  S16rsyslog
  S16sudo
  S17apache2
  S18acpid
  ...
  

可以看到,除了第一個文件README以外,其他文件名都是"字母S+兩位數字+程序名"的形式。字母S表示Start,也就是啓動的意思(啓動腳本的運行參數爲start),如果這個位置是字母K,就代表Kill(關閉),即如果從其他運行級別切換過來,需要關閉的程序(啓動腳本的運行參數爲stop)。後面的兩位數字表示處理順序,數字越小越早處理,所以第一個啓動的程序是motd,然後是rpcbing、nfs......數字相同時,則按照程序名的字母順序啓動,所以rsyslog會先於sudo啓動。

這個目錄裏的所有文件(除了README),就是啓動時要加載的程序。如果想增加或刪除某些程序,不建議手動修改 /etc/rcN.d 目錄,最好是用一些專門命令進行管理(參考這裏這裏)。

第四步、加載開機啓動程序

前面提到,七種預設的"運行級別"各自有一個目錄,存放需要開機啓動的程序。不難想到,如果多個"運行級別"需要啓動同一個程序,那麼這個程序的啓動腳本,就會在每一個目錄裏都有一個拷貝。這樣會造成管理上的困擾:如果要修改啓動腳本,豈不是每個目錄都要改一遍?

Linux的解決辦法,就是七個 /etc/rcN.d 目錄裏列出的程序,都設爲鏈接文件,指向另外一個目錄 /etc/init.d ,真正的啓動腳本都統一放在這個目錄中。init進程逐一加載開機啓動程序,其實就是運行這個目錄裏的啓動腳本。

下面就是鏈接文件真正的指向。


  $ ls -l /etc/rc2.d
  
  README
  S01motd -> ../init.d/motd
  S13rpcbind -> ../init.d/rpcbind
  S14nfs-common -> ../init.d/nfs-common
  S16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-support
  S16rsyslog -> ../init.d/rsyslog
  S16sudo -> ../init.d/sudo
  S17apache2 -> ../init.d/apache2
  S18acpid -> ../init.d/acpid
  ...
  

這樣做的另一個好處,就是如果你要手動關閉或重啓某個進程,直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啓動腳本即可。比如,我要重啓Apache服務器,就運行下面的命令:


  $ sudo /etc/init.d/apache2 restart
  

/etc/init.d 這個目錄名最後一個字母d,是directory的意思,表示這是一個目錄,用來與程序 /etc/init 區分。

第五步、用戶登錄

開機啓動程序加載完畢以後,就要讓用戶登錄了。

一般來說,用戶的登錄方式有三種:

  (1)命令行登錄

  (2)ssh登錄

  (3)圖形界面登錄

這三種情況,都有自己的方式對用戶進行認證。

(1)命令行登錄:init進程調用getty程序(意爲get teletype),讓用戶輸入用戶名和密碼。輸入完成後,再調用login程序,覈對密碼(Debian還會再多運行一個身份覈對程序/etc/pam.d/login)。如果密碼正確,就從文件 /etc/passwd 讀取該用戶指定的shell,然後啓動這個shell。

(2)ssh登錄:這時系統調用sshd程序(Debian還會再運行/etc/pam.d/ssh ),取代getty和login,然後啓動shell。

(3)圖形界面登錄:init進程調用顯示管理器,Gnome圖形界面對應的顯示管理器爲gdm(GNOME Display Manager),然後用戶輸入用戶名和密碼。如果密碼正確,就讀取/etc/gdm3/Xsession,啓動用戶的會話。

第六步、進入 login shell

所謂shell,簡單說就是命令行界面,讓用戶可以直接與操作系統對話。用戶登錄時打開的shell,就叫做login shell。

Debian默認的shell是Bash,它會讀入一系列的配置文件。上一步的三種情況,在這一步的處理,也存在差異。

(1)命令行登錄:首先讀入 /etc/profile,這是對所有用戶都有效的配置;然後依次尋找下面三個文件,這是針對當前用戶的配置。


  ~/.bash_profile
  ~/.bash_login
  ~/.profile
  

需要注意的是,這三個文件只要有一個存在,就不再讀入後面的文件了。比如,要是 ~/.bash_profile 存在,就不會再讀入後面兩個文件了。

(2)ssh登錄:與第一種情況完全相同。

(3)圖形界面登錄:只加載 /etc/profile 和 ~/.profile。也就是說,~/.bash_profile 不管有沒有,都不會運行。

第七步,打開 non-login shell

老實說,上一步完成以後,Linux的啓動過程就算結束了,用戶已經可以看到命令行提示符或者圖形界面了。但是,爲了內容的完整,必須再介紹一下這一步。

用戶進入操作系統以後,常常會再手動開啓一個shell。這個shell就叫做 non-login shell,意思是它不同於登錄時出現的那個shell,不讀取/etc/profile和.profile等配置文件。

non-login shell的重要性,不僅在於它是用戶最常接觸的那個shell,還在於它會讀入用戶自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多數時候,我們對於bash的定製,都是寫在這個文件裏面的。

你也許會問,要是不進入 non-login shell,豈不是.bashrc就不會運行了,因此bash 也就不能完成定製了?事實上,Debian已經考慮到這個問題了,請打開文件 ~/.profile,可以看到下面的代碼:


  if [ -n "$BASH_VERSION" ]; then
    if [ -f "$HOME/.bashrc" ]; then
      . "$HOME/.bashrc"
    fi
  fi
  

上面代碼先判斷變量 $BASH_VERSION 是否有值,然後判斷主目錄下是否存在 .bashrc 文件,如果存在就運行該文件。第三行開頭的那個點,是source命令的簡寫形式,表示運行某個文件,寫成"source ~/.bashrc"也是可以的。

因此,只要運行~/.profile文件,~/.bashrc文件就會連帶運行。但是上一節的第一種情況提到過,如果存在~/.bash_profile文件,那麼有可能不會運行~/.profile文件。解決這個問題很簡單,把下面代碼寫入.bash_profile就行了。


  if [ -f ~/.profile ]; then
    . ~/.profile
  fi
  

這樣一來,不管是哪種情況,.bashrc都會執行,用戶的設置可以放心地都寫入這個文件了。

Bash的設置之所以如此繁瑣,是由於歷史原因造成的。早期的時候,計算機運行速度很慢,載入配置文件需要很長時間,Bash的作者只好把配置文件分成了幾個部分,階段性載入。系統的通用設置放在 /etc/profile,用戶個人的、需要被所有子進程繼承的設置放在.profile,不需要被繼承的設置放在.bashrc。

順便提一下,除了Linux以外, Mac OS X 使用的shell也是Bash。但是,它只加載.bash_profile,然後在.bash_profile裏面調用.bashrc。而且,不管是ssh登錄,還是在圖形界面裏啓動shell窗口,都是如此。

參考鏈接

[1] Debian Wiki, Environment Variables

[2] Debian Wiki, Dot Files

[3] Debian Administration, An introduction to run-levels

[4] Debian Admin,Debian and Ubuntu Linux Run Levels

[5] Linux Information Project (LINFO), Runlevel Definition

[6] LinuxQuestions.org, What are run levels?

[7] Dalton Hubble, Bash Configurations Demystified

(完)
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