Linux 的啓動流程（轉）

原文連接：http://blog.jobbole.com/46078/

 

半年前，我寫了《計算機是如何啓動的？》，探討BIOS和主引導記錄的做用。

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

這個部分比較有意思。由於在BIOS階段，計算機的行爲基本上被寫死了，程序員能夠作的事情並很少；可是，一旦進入操做系統，程序員幾乎能夠定製全部方面。因此，這個部分與程序員的關係更密切。

我主要關心的是Linux操做系統，它是目前服務器端的主流操做系統。下面的內容針對的是Debian發行版，由於我對其餘發行版不夠熟悉。

第一步、加載內核

操做系統接管硬件之後，首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。

以個人電腦爲例，/boot 目錄下面大概是這樣一些文件：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

$ 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

內核文件加載之後，就開始運行第一個程序 /sbin/init，它的做用是初始化系統環境。

因爲init是第一個運行的程序，它的進程編號（pid）就是1。其餘全部進程都從它衍生，都是它的子進程。

第三步、肯定運行級別

許多程序須要開機啓動。它們在Windows叫作」服務」（service），在Linux就叫作」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。可是，不一樣的場合須要啓動不一樣的程序，好比用做服務器時，須要啓動Apache，用做桌面就不須要。Linux容許爲不一樣的場合，分配不一樣的開機啓動程序，這就叫作」運行級別「（runlevel）。也就是說，啓動時根據」運行級別」，肯定要運行哪些程序。

Linux預置七種運行級別（0-6）。通常來講，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，各個發行版不太同樣，對於Debian來講，都是一樣的多用戶模式（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。若是你打開它，能夠看到第一行是這樣的：

1	id: 2 :initdefault:

　　 

initdefault的值是2，代表系統啓動時的運行級別爲2。若是須要指定其餘級別，能夠手動修改這個值。

那麼，運行級別2有些什麼程序呢，系統怎麼知道每一個級別應該加載哪些程序呢？……回答是每一個運行級別在/etc目錄下面，都有一個對應的子目錄，指定要加載的程序。

1 2 3 4 5 6 7

/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）。下面讓咱們看看 /etc/rc2.d 目錄中到底指定了哪些程序。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

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

能夠看到，除了第一個文件README之外，其餘文件名都是」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），若是這個位置是字母K，就表明Kill（關閉），即若是從其餘運行級別切換過來，須要關閉的程序（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，因此第一個啓動的程序是motd，而後是rpcbing、nfs……數字相同時，則按照程序名的字母順序啓動，因此rsyslog會先於sudo啓動。

這個目錄裏的全部文件（除了README），就是啓動時要加載的程序。若是想增長或刪除某些程序，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（參考這裏和這裏）。

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，存放須要開機啓動的程序。不難想到，若是多個」運行級別」須要啓動同一個程序，那麼這個程序的啓動腳本，就會在每個目錄裏都有一個拷貝。這樣會形成管理上的困擾：若是要修改啓動腳本，豈不是每一個目錄都要改一遍？

Linux的解決辦法，就是七個 /etc/rcN.d 目錄裏列出的程序，都設爲連接文件，指向另一個目錄 /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。

下面就是連接文件真正的指向。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

$ 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 ...

這樣作的另外一個好處，就是若是你要手動關閉或重啓某個進程，直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啓動腳本便可。好比，我要重啓Apache服務器，就運行下面的命令：

1	$ 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、用戶登陸

開機啓動程序加載完畢之後，就要讓用戶登陸了。

通常來講，用戶的登陸方式有三種：

（1）命令行登陸

（2）ssh登陸

（3）圖形界面登陸

這三種狀況，都有本身的方式對用戶進行認證。

（1）命令行登陸：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）。若是密碼正確，就從文件 /etc/passwd 讀取該用戶指定的shell，而後啓動這個shell。

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

（3）圖形界面登陸：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），而後用戶輸入用戶名和密碼。若是密碼正確，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，讓用戶能夠直接與操做系統對話。用戶登陸時打開的shell，就叫作login shell。

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

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

1 2 3

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

　 

須要注意的是，這三個文件只要有一個存在，就再也不讀入後面的文件了。好比，要是 ~/.bash_profile 存在，就不會再讀入後面兩個文件了。

（2）ssh登陸：與第一種狀況徹底相同。

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

第七步，打開 non-login shell

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

用戶進入操做系統之後，經常會再手動開啓一個shell。這個shell就叫作 non-login shell，意思是它不一樣於登陸時出現的那個shell，不讀取/etc/profile和.profile等配置文件。

non-login shell的重要性，不只在於它是用戶最常接觸的那個shell，還在於它會讀入用戶本身的bash配置文件 ~/.bashrc。大多數時候，咱們對於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，所以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，能夠看到下面的代碼：

1 2 3 4 5

if [ -n "$BASH_VERSION" ]; then 　　 if [ -f "$HOME/.bashrc" ]; then 　　　　. "$HOME/.bashrc" 　　 fi fi <span style= "font-family: Monaco, Consolas, 'Andale Mono', 'DejaVu Sans Mono', monospace; font-style: normal;" >　 < /span >

上面代碼先判斷變量 $BASH_VERSION 是否有值，而後判斷主目錄下是否存在 .bashrc 文件，若是存在就運行該文件。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」也是能夠的。

所以，只要運行～/.profile文件，～/.bashrc文件就會連帶運行。可是上一節的第一種狀況提到過，若是存在～/.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就好了。

1 2 3

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

這樣一來，不論是哪一種狀況，.bashrc都會執行，用戶的設置能夠放心地都寫入這個文件了。

Bash的設置之因此如此繁瑣，是因爲歷史緣由形成的。早期的時候，計算機運行速度很慢，載入配置文件須要很長時間，Bash的做者只好把配置文件分紅了幾個部分，階段性載入。系統的通用設置放在 /etc/profile，用戶我的的、須要被全部子進程繼承的設置放在.profile，不須要被繼承的設置放在.bashrc。

順便提一下，除了Linux之外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。可是，它只加載.bash_profile，而後在.bash_profile裏面調用.bashrc。並且，不論是ssh登陸，仍是在圖形界面裏啓動shell窗口，都是如此。

參考連接

[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