Linux 的启动流程

原文链接：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/08/linux_boot_process.html

半年前，我写了《计算机是怎样启动的？》。探讨BIOS和主引导记录的作用。

那篇文章不涉及操作系统。仅仅与主板的板载程序有关。

今天，我想接着往下写，探讨操作系统接管硬件以后发生的事情。也就是操作系统的启动流程。



这个部分比較有意思。由于在BIOS阶段，计算机的行为基本上被写死了，程序猿能够做的事情并不多；可是，一旦进入操作系统。程序猿差点儿能够定制全部方面。所以，这个部分与程序猿的关系更密切。

我主要关心的是Linux操作系统，它是眼下server端的主流操作系统。以下的内容针对的是Debian发行版。由于我对其它发行版不够熟悉。

第一步、载入内核

操作系统接管硬件以后，首先读入 /boot 文件夹下的内核文件。



以我的电脑为例，/boot 文件夹以下大概是这样一些文件：



第二步、启动初始化进程

内核文件载入以后，就開始执行第一个程序 /sbin/init。它的作用是初始化系统环境。



因为init是第一个执行的程序。它的进程编号（pid）就是1。其它全部进程都从它衍生，都是它的子进程。

第三步、确定执行级别

很多程序须要开机启动。

它们在Windows叫做"服务"（service）。在Linux就叫做"守护进程"（daemon）。

init进程的一大任务，就是去执行这些开机启动的程序。可是，不同的场合须要启动不同的程序，比方用作server时。须要启动Apache，用作桌面就不须要。Linux同意为不同的场合，分配不同的开机启动程序，这就叫做"执行级别"（runlevel）。也就是说，启动时依据"执行级别"。确定要执行哪些程序。



Linux预置七种执行级别（0-6）。

一般来说，0是关机，1是单用户模式（也就是维护模式），6是重新启动。

执行级别2-5，各个发行版不太一样。对于Debian来说。都是相同的多用户模式（也就是正常模式）。

init进程首先读取文件 /etc/inittab，它是执行级别的设置文件。假设你打开它，能够看到第一行是这种：



initdefault的值是2。表明系统启动时的执行级别为2。假设须要指定其它级别。能够手动改动这个值。

那么，执行级别2有些什么程序呢，系统怎么知道每一个级别应该载入哪些程序呢？......回答是每一个执行级别在/etc文件夹以下，都有一个相应的子文件夹，指定要载入的程序。



上面文件夹名中的"rc"。表示run command（执行程序）。最后的d表示directory（文件夹）。以下让我们看看 /etc/rc2.d 文件夹中究竟指定了哪些程序。



能够看到，除了第一个文件README以外。其它文件名称都是"字母S+两位数字+程序名"的形式。字母S表示Start，也就是启动的意思（启动脚本的执行參数为start），假设这个位置是字母K。就代表Kill（关闭），即假设从其它执行级别切换过来，须要关闭的程序（启动脚本的执行參数为stop）。后面的两位数字表示处理顺序，数字越小越早处理，所以第一个启动的程序是motd，然后是rpcbing、nfs......数字同样时，则依照程序名的字母顺序启动，所以rsyslog会先于sudo启动。

这个文件夹里的全部文件（除了README），就是启动时要载入的程序。

假设想添加或删除某些程序，不建议手动改动 /etc/rcN.d 文件夹。最好是用一些专门命令进行管理（參考这里和这里）。

第四步、载入开机启动程序

前面提到，七种预设的"执行级别"各自有一个文件夹。存放须要开机启动的程序。

不难想到。假设多个"执行级别"须要启动同一个程序，那么这个程序的启动脚本。就会在每个文件夹里都有一个拷贝。这样会造成管理上的困扰：假设要改动启动脚本，岂不是每个文件夹都要改一遍？

Linux的解决的方法，就是七个 /etc/rcN.d 文件夹里列出的程序。都设为链接文件。指向另外一个文件夹 /etc/init.d 。真正的启动脚本都统一放在这个文件夹中。

init进程逐一载入开机启动程序，事实上就是执行这个文件夹里的启动脚本。



以下就是链接文件真正的指向。



这样做的还有一个优点，就是假设你要手动关闭或重新启动某个进程，直接到文件夹 /etc/init.d 中寻找启动脚本就可以。比方，我要重新启动Apacheserver。就执行以下的命令：



/etc/init.d 这个文件夹名最后一个字母d。是directory的意思。表示这是一个文件夹，用来与程序 /etc/init 区分。

第五步、用户登录

开机启动程序载入完成以后，就要让用户登录了。



一般来说。用户的登录方式有三种：



这三种情况，都有自己的方式对用户进行认证。

（1）命令行登录：init进程调用getty程序（意为get teletype）。让用户输入username和password。输入完毕后，再调用login程序，核对password（Debian还会再多执行一个身份核对程序/etc/pam.d/login）。假设password正确。就从文件 /etc/passwd 读取该用户指定的shell。然后启动这个shell。

（2）ssh登录：这时系统调用sshd程序（Debian还会再执行/etc/pam.d/ssh ），代替getty和login。然后启动shell。

（3）图形界面登录：init进程调用显示管理器，Gnome图形界面相应的显示管理器为gdm（GNOME Display Manager），然后用户输入username和password。假设password正确，就读取/etc/gdm3/Xsession，启动用户的会话。

第六步、进入 login shell

所谓shell，简单说就是命令行界面，让用户能够直接与操作系统对话。

用户登录时打开的shell。就叫做login shell。



Debian默认的shell是Bash，它会读入一系列的配置文件。

上一步的三种情况，在这一步的处理，也存在差异。

（1）命令行登录：首先读入 /etc/profile，这是对全部用户都有效的配置；然后依次寻找以下三个文件，这是针对当前用户的配置。



须要注意的是，这三个文件仅仅要有一个存在，就不再读入后面的文件了。比方，要是 ~/.bash_profile 存在，就不会再读入后面两个文件了。

（2）ssh登录：与第一种情况全然同样。

（3）图形界面登录：仅仅载入 /etc/profile 和 ~/.profile。

也就是说，~/.bash_profile 无论有没有，都不会执行。

第七步，打开 non-login shell

老实说，上一步完毕以后。Linux的启动过程就算结束了，用户已经能够看到命令行提示符或者图形界面了。

可是。为了内容的完整，必须再介绍一下这一步。

用户进入操作系统以后，经常会再手动开启一个shell。这个shell就叫做 non-login shell，意思是它不同于登录时出现的那个shell，不读取/etc/profile和.profile等配置文件。



non-login shell的重要性，不仅在于它是用户最常接触的那个shell，还在于它会读入用户自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多数时候。我们对于bash的定制。都是写在这个文件中面的。

你或许会问，要是不进入 non-login shell，岂不是.bashrc就不会执行了，因此bash 也就不能完毕定制了？其实，Debian已经考虑到这个问题了。请打开文件 ~/.profile，能够看到以下的代码：



上面代码先推断变量 $BASH_VERSION 是否有值。然后推断主文件夹下是否存在 .bashrc 文件，假设存在就执行该文件。第三行开头的那个点，是source命令的简写形式，表示执行某个文件，写成"source ~/.bashrc"也是能够的。

因此，仅仅要执行～/.profile文件，～/.bashrc文件就会连带执行。可是上一节的第一种情况提到过，假设存在～/.bash_profile文件，那么有可能不会执行～/.profile文件。

解决问题非常easy。把以下代码写入.bash_profile即可了。



这样一来，无论是哪种情况，.bashrc都会运行，用户的设置能够放心地都写入这个文件了。

Bash的设置之所以如此繁琐，是因为历史原因造成的。

早期的时候。计算机执行速度非常慢，加载配置文件须要非常长时间，Bash的作者仅仅好把配置文件分成了几个部分，阶段性加载。

系统的通用设置放在 /etc/profile。用户个人的、须要被全部子进程继承的设置放在.profile，不须要被继承的设置放在.bashrc。

顺便提一下，除了Linux以外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。

可是，它仅仅载入.bash_profile，然后在.bash_profile里面调用.bashrc。并且，无论是ssh登录，还是在图形界面里启动shell窗体，都是如此。

參考链接



（完）