Linux的启动流程简析

不错过任何一篇精彩文章

文 | 阮一峰

正文:

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,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?……

因为每个运行级别在/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。

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。

参考文章:

[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

END

有条

推广

Linux3.1开始都已支持设备树,如果你正在做驱动或系统相关工作,建议学一下设备树,推荐韦东山老师历时3个月录制而成的设备树视频,一共6课29节,时长10小时。同样的内容有同行卖到了200多,我们还是良心价69。

设备树课程亮点:

1. 价格公道,深入浅出,真正讲透设备树

2. 延续一贯风格:边讲边画、现场写代码

3. 内容丰富,涉及u-boot/kernel/driver对设备树的处理

dts=>dtb=>device_node=>platform_device

设备树目录:

第一课.设备树的引入与体验

第01节_字符设备驱动程序的三种写法

第02节_字符设备驱动程序的传统写法

第03节_字符设备驱动的编译测试

第04节_总线设备驱动模型

第05节_使用设备树时对应的驱动编程

第06节_只想使用不想深入研究怎么办?

第二课. 设备树的规范

第01节_DTS格式

第02节_DTB格式

第三课. 内核对设备树的处理

第01节_从源头分析_内核head.S对dtb的简单处理

第02节_对设备树中平台信息的处理(选择machine_desc)

第03节_对设备树中运行时配置信息的处理

第04节_dtb转换为device_node(unflatten)

第05节_device_node转换为platform_device

第06节_platform_device跟platform_driver的匹配

第07节_内核中设备树的操作函数

第08节_在根文件系统中查看设备树

第四课. u-boot对设备树的支持

第01节_传递dtb给内核

第02节_dtb的修改原理

第03节_dtb的修改命令fdt移植

第五课. 中断系统中的设备树

第01节_中断概念的引入与处理流程

第02节_Linux对中断处理的框架及代码流程简述

第03节_中断号的演变与irq_domain

第04节_示例_在S3C2440上使用设备树描述中断体验

第05节_在设备树中描述中断

第六课_实践操作

第01节_使用设备树给DM9000网卡_触摸屏指定中断

第02节_在设备树中时钟的简单使用

第03节_在设备树中pinctrl的简单使用

第04节_使用设备树给LCD指定各种参数

购买地址:

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w5003-18996326770.1.764a82accZHBAf&id=577749510933&scene=taobao_shop

如果对视频质量有顾虑,请试看一下:

字符设备驱动的传统写法

只想使用设备树不想深入研究怎么办?

以下是设备树部分学员的看后评价:

加入社群:

多多点点"好看", 我更有动力去找好看的文章。

  • 发表于:
  • 原文链接:https://kuaibao.qq.com/s/20181224A0WYWI00?refer=cp_1026
  • 腾讯「云+社区」是腾讯内容开放平台帐号(企鹅号)传播渠道之一,根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券