[Linux系统] Linux启动过程

码农

今天，我们就一起来探讨一下操作系统的启动过程。

这部分比较有趣。 因为在BIOS阶段，计算机的行为基本上是硬编码的，程序员能做的事情不多； 然而，一旦进入操作系统，程序员几乎可以自定义所有方面。 因此，这部分与程序员的关系更为密切。

我主要关注的是Linux操作系统，它是目前服务器端的主流操作系统。 以下是针对 Debian 发行版的，因为我对其他发行版还不够熟悉。

加载内核

操作系统接管硬件后，首先读取/boot目录下的内核文件。

以我的电脑为例，/boot目录下大概有一些文件：

　　$ 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　　

开始初始化过程

内核文件加载后，第一个程序/sbin/init开始运行，其作用是初始化系统环境。

由于 init 是第一个运行的程序，因此它的进程号 (pid) 为 1。所有其他进程都派生自它并且是它的子进程。

确定运行级别

许多程序需要引导才能启动。 它们在 Windows 中称为“服务”，在 Linux 中称为“守护进程”。

init进程的一个主要任务就是运行这些启动程序。 但是，在不同的场合需要启动不同的程序。 例如，Apache作为服务器需要启动，作为桌面则不需要。 Linux允许为不同的场合分配不同的引导程序，这称为“运行级别”。 也就是说，根据启动时的“运行级别”，决定运行哪些程序。

Linux 预设了七个操作级别（0-6）。 一般来说，0为关机etc系统的工作流程，1为单用户模式（即维护模式），6为重启。 每个发行版的运行级别 2-5 都不同。 对于Debian来说，都是一样的多用户模式（也就是普通模式）。

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

　　id:2:initdefault:　　

initdefault的值为2，表示系统启动时运行级别为2。 如果需要指定其他级别，可以手动修改该值。

那么，runlevel 2 中有哪些程序，系统如何知道每个级别应该加载哪些程序呢？ ......答案是每个运行级别在/etc目录下都有对应的子目录，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），最后一个d表示directory（目录）。 让我们看看/etc/rc2.d 目录中指定了哪些程序。

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

可以看出，除了第一个文件README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，表示start（启动脚本的运行参数为start），如果这个位置是字母K，则表示Kill（关闭），即切换过来需要关闭的程序其他运行级别（启动脚本运行参数为stop）。

后面两位数字表示处理顺序，数字越小越早处理，所以最先启动的程序是motd，然后是rpcbing，nfs……当数字相同时，按照程序的字母顺序启动程序名称，所以 rsyslog 将在 sudo 之前启动。

该目录下的所有文件（README除外）都是启动时加载的程序。 如果要增加或删除一些程序，不建议手动修改/etc/rcN.d目录，最好使用一些特殊的命令来管理（参考这里和这里）。

加载引导程序

前面说过，预设的7个“运行级别”，每一个都有一个目录，里面存放着开机需要启动的程序。 不难想象，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在每个目录下都会有一份。 这样会造成管理上的麻烦：如果要修改启动脚本，不是每个目录都要改吗？

Linux的解决办法是将/etc/rcN.d这7个目录下列出的程序都设置为链接文件，指向另一个目录/etc/init.d，真正的启动脚本都放在这个目录下。 init进程一个一个加载启动程序，其实就是运行这个目录下的启动脚本。

这是链接文件实际指向的位置。

　　$ 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是，如果你想手动关闭或重启一个进程，只需要到目录/etc/init.d中找到启动脚本即可。 例如，如果我想重启 Apache 服务器，我运行以下命令：

　　$ sudo /etc/init.d/apache2 restart　　

/etc/init.d 这个目录名的最后一个字母d是directory的意思，表示这是一个目录，用来区别于/etc/init.d这个程序。

用户登录

加载启动程序后，用户必须登录。

一般来说，用户登录有以下三种方式：

(1)命令行登录

(2)ssh登录

(3) 界面登录

在这三种情况下，每种情况都有自己的方式来验证用户。

(1)命令行登录：init进程调用getty程序(意思是get teletype)，让用户输入用户名和密码。 输入完成后，调用登录程序检查密码（Debian会运行另一个身份检查程序/etc/pam.d/login）。 如果密码正确，则从文件/etc/passwd 中读取用户指定的shell，并启动shell。

(2)ssh登录：此时系统调用sshd程序（Debian会再次运行/etc/pam.d/ssh），替换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，读取 /etc/gdm3/Xsession 并启动用户会话。

进入登录shell

所谓shell，简单来说就是一个命令行界面，可以让用户直接与操作系统对话。 用户登录时打开的shell称为登录shell。

Debian 的默认 shell 是 Bash，它读取一系列配置文件。 本步骤中对上一步中的三种情况的处理也有所不同。

(1)命令行登录：首先读取/etc/profile，这是对所有用户有效的配置； 然后依次查找以下三个文件，这是当前用户的配置。

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

需要注意的是，只要这三个文件有一个存在，后面的文件就不会被读入。比如~/.bash_profile存在，后面两个文件就不会被读入。

(2)ssh登录：与第一种情况完全一样。

(3)图形界面登录：只加载/etc/profile和~/.profile。 也就是说，无论 ~/.bash_profile 是否存在，它都不会运行。

打开非登录shell

老实说，上一步完成后etc系统的工作流程，Linux的启动过程就结束了，用户已经可以看到命令行提示符或者图形界面了。 但是，为了完整起见，这一步必须再次介绍。

用户进入操作系统后，往往会手动启动一个shell。 这种shell称为非登录shell，意思是它不同于登录时出现的shell，不读取/etc/profile和.profile等配置文件。

非登录shell的重要性不仅在于它是用户最常接触到的shell，还在于它会读取用户自己的bash配置文件~/.bashrc。 大多数时候，我们对bash的定制都是写在这个文件中的。

你可能会问，如果不进入非登录shell，.bashrc 不运行，bash 就不能完成定制了吗？ 其实Debian已经考虑到了这个问题，请打开文件~/.profile，可以看到如下代码：

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

上面的代码首先判断变量$BASH_VERSION是否有值，然后判断主目录下是否有.bashrc文件，如果存在则运行该文件。 第三行开头的点是source命令的缩写形式，意思是运行某个文件，也可以写成“source ~/.bashrc”。

因此，只要运行~/.profile文件，~/.bashrc文件就会一起运行。 但是在上一节第一种情况中提到，如果有~/.bash_profile文件，那么~/.profile文件可能运行不了。 解决这个问题很简单，只需将下面的代码写入.bash_profile 即可。

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

这样无论在什么情况下，.bashrc都会被执行，用户的设置就可以安全的写入这个文件中了。

Bash的设置之所以如此繁琐，是有历史原因的。 早期电脑运行很慢，加载配置文件需要很长时间。 Bash 的作者不得不将配置文件分成几个部分，分阶段加载。 系统的通用设置放在/etc/profile中，需要被所有子进程继承的用户个人设置放在.profile中，不需要继承的设置放在.bashrc中。

顺便说一句，除了Linux，Mac OS X使用的shell也是Bash。 但是，它只加载 .bash_profile，然后在 .bash_profile 中调用 .bashrc。 而且，无论是ssh登录还是图形界面启动shell窗口都是如此。