Linux 的启动流程

厚德菌 一个八〇后文艺范儿佛系程序员。 本文由博客端 http://hoode.top 主动推送
本贴最后更新于 293 天前,其中的信息可能已经时移世改

作者: 阮一峰

日期: 2013 年 8 月 17 日

半年前,我写了《计算机是如何启动的?》,探讨 BIOS 和主引导记录的作用。

那篇文章不涉及操作系统,只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。

这个部分比较有意思。因为在 BIOS 阶段,计算机的行为基本上被写死了,程序员可以做的事情并不多;但是,一旦进入操作系统,程序员几乎可以定制所有方面。所以,这个部分与程序员的关系更密切。

我主要关心的是 Linux 操作系统,它是目前服务器端的主流操作系统。下面的内容针对的是 Debian 发行版,因为我对其他发行版不够熟悉。

第一步、加载内核

操作系统接管硬件以后,首先读入 /boot 目录下的内核文件。

以我的电脑为例,/boot 目录下面大概是这样一些文件:

$ 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、启动初始化进程

内核文件加载以后,就开始运行第一个程序 /sbin/init,它的作用是初始化系统环境。

由于 init 是第一个运行的程序,它的进程编号(pid)就是 1。其他所有进程都从它衍生,都是它的子进程。

第三步、确定运行级别

许多程序需要开机启动。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,就是去运行这些开机启动的程序。但是,不同的场合需要启动不同的程序,比如用作服务器时,需要启动 Apache,用作桌面就不需要。Linux 允许为不同的场合,分配不同的开机启动程序,这就叫做"运行级别"(runlevel)。也就是说,启动时根据"运行级别",确定要运行哪些程序。

Linux 预置七种运行级别(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 是重启。运行级别 2-5,各个发行版不太一样,对于 Debian 来说,都是同样的多用户模式(也就是正常模式)。

init 进程首先读取文件 /etc/inittab,它是运行级别的设置文件。如果你打开它,可以看到第一行是这样的:

id:2:initdefault:

initdefault 的值是 2,表明系统启动时的运行级别为 2。如果需要指定其他级别,可以手动修改这个值。

那么,运行级别 2 有些什么程序呢,系统怎么知道每个级别应该加载哪些程序呢?......回答是每个运行级别在/etc 目录下面,都有一个对应的子目录,指定要加载的程序。

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

上面目录名中的"rc",表示 run command(运行程序),最后的 d 表示 directory(目录)。下面让我们看看 /etc/rc2.d 目录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,除了第一个文件 README 以外,其他文件名都是"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(启动脚本的运行参数为 start),如果这个位置是字母 K,就代表 Kill(关闭),即如果从其他运行级别切换过来,需要关闭的程序(启动脚本的运行参数为 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......数字相同时,则按照程序名的字母顺序启动,所以 rsyslog 会先于 sudo 启动。

这个目录里的所有文件(除了 README),就是启动时要加载的程序。如果想增加或删除某些程序,不建议手动修改 /etc/rcN.d 目录,最好是用一些专门命令进行管理(参考这里这里)。

第四步、加载开机启动程序

前面提到,七种预设的"运行级别"各自有一个目录,存放需要开机启动的程序。不难想到,如果多个"运行级别"需要启动同一个程序,那么这个程序的启动脚本,就会在每一个目录里都有一个拷贝。这样会造成管理上的困扰:如果要修改启动脚本,岂不是每个目录都要改一遍?

Linux 的解决办法,就是七个 /etc/rcN.d 目录里列出的程序,都设为链接文件,指向另外一个目录 /etc/init.d ,真正的启动脚本都统一放在这个目录中。init 进程逐一加载开机启动程序,其实就是运行这个目录里的启动脚本。

下面就是链接文件真正的指向。

$ 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
  ...

这样做的另一个好处,就是如果你要手动关闭或重启某个进程,直接到目录 /etc/init.d 中寻找启动脚本即可。比如,我要重启 Apache 服务器,就运行下面的命令:

$ sudo /etc/init.d/apache2 restart

/etc/init.d 这个目录名最后一个字母 d,是 directory 的意思,表示这是一个目录,用来与程序 /etc/init 区分。

第五步、用户登录

开机启动程序加载完毕以后,就要让用户登录了。

一般来说,用户的登录方式有三种:

  (1)命令行登录

  (2)ssh 登录

  (3)图形界面登录

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),让用户输入用户名和密码。输入完成后,再调用 login 程序,核对密码(Debian 还会再多运行一个身份核对程序/etc/pam.d/login)。如果密码正确,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 还会再运行/etc/pam.d/ssh ),取代 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 图形界面对应的显示管理器为 gdm(GNOME Display Manager),然后用户输入用户名和密码。如果密码正确,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,让用户可以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,这是对所有用户都有效的配置;然后依次寻找下面三个文件,这是针对当前用户的配置。

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

需要注意的是,这三个文件只要有一个存在,就不再读入后面的文件了。比如,要是 ~/.bash_profile 存在,就不会再读入后面两个文件了。

(2)ssh 登录:与第一种情况完全相同。

(3)图形界面登录:只加载 /etc/profile 和 /.profile。也就是说,/.bash_profile 不管有没有,都不会运行。

第七步,打开 non-login shell

老实说,上一步完成以后,Linux 的启动过程就算结束了,用户已经可以看到命令行提示符或者图形界面了。但是,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,常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,都是写在这个文件里面的。

你也许会问,要是不进入 non-login shell,岂不是.bashrc 就不会运行了,因此 bash 也就不能完成定制了?事实上,Debian 已经考虑到这个问题了,请打开文件 ~/.profile,可以看到下面的代码:

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

上面代码先判断变量 $BASH_VERSION 是否有值,然后判断主目录下是否存在 .bashrc 文件,如果存在就运行该文件。第三行开头的那个点,是 source 命令的简写形式,表示运行某个文件,写成"source ~/.bashrc"也是可以的。

因此,只要运行 ~/.profile 文件,~/.bashrc 文件就会连带运行。但是上一节的第一种情况提到过,如果存在 ~/.bash_profile 文件,那么有可能不会运行 ~/.profile 文件。解决这个问题很简单,把下面代码写入.bash_profile 就行了。

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

这样一来,不管是哪种情况,.bashrc 都会执行,用户的设置可以放心地都写入这个文件了。

Bash 的设置之所以如此繁琐,是由于历史原因造成的。早期的时候,计算机运行速度很慢,载入配置文件需要很长时间,Bash 的作者只好把配置文件分成了几个部分,阶段性载入。系统的通用设置放在 /etc/profile,用户个人的、需要被所有子进程继承的设置放在.profile,不需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。但是,它只加载.bash_profile,然后在.bash_profile 里面调用.bashrc。而且,不管是 ssh 登录,还是在图形界面里启动 shell 窗口,都是如此。

参考链接

[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)

文档信息

  • Linux

    Linux 是一套免费使用和自由传播的类 Unix 操作系统,是一个基于 POSIX 和 Unix 的多用户、多任务、支持多线程和多 CPU 的操作系统。它能运行主要的 Unix 工具软件、应用程序和网络协议,并支持 32 位和 64 位硬件。Linux 继承了 Unix 以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。

    842 引用 • 907 回帖 • 237 关注
  • 代码
    447 引用 • 544 回帖 • 6 关注

欢迎来到这里!

我们正在构建一个小众社区,大家在这里相互信任,以平等 • 自由 • 奔放的价值观进行分享交流。最终,希望大家能够找到与自己志同道合的伙伴,共同成长。

注册 关于
请输入回帖内容 ...