Linux 的启动流程

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)

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