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Linux 的启动流程
2013年08月18日 JavaScript ⁄ 共 4160字 等你评论

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。

Linux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。

Linux启动流程

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。

Linux启动流程

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、加载开机启动程序

许多程序是开机启动的。它们在Windows叫做"服务"(service),在Linux就叫做"守护进程"(daemon)。所有"守护进程"的启动脚本,都放在 /init.d 目录下面。init进程的主要任务,就是逐一运行这些脚本。

Linux启动流程

下面是我的电脑的 /etc/init.d 目录,里面有很多程序。

  $ ls /etc/init.d

  acpid
  alsa-utils
  anacron
  apache2
  atd
  avahi-daemon
  binfmt-support
  ...

/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。

第四步、运行级别

有些开机启动程序,并不需要所有场合都启动。比如,把Linux当作桌面环境时,就不需要启动 Apache。系统允许为不同的场合,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启动流程

Linux默认提供七种运行级别(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。其他级别每个发行版不太一样,对于Debian来说,2到5都是同样的多用户模式(也就是正常模式)。

打开文件 /etc/inittab,可以看到第一行是这样的:

  id:2:initdefault:

这就是说,启动时的默认运行级别为2,用户可以修改这个值。

init进程读取 /etc/inittab 文件,然后按照指定的"运行级别",加载相应的开机启动程序。那么,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,里面指定了要加载的程序。

  /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)。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。

所有这件文件都是链接文件,指向目录 /etc/init.d 中对应的启动脚本文件。如果想增加或删除某些开机启动程序,不建议手动修改这些链接文件,而是用一些专门命令进行管理(参考这里这里)。

  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。

Linux启动流程

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。

Linux启动流程

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/prfile 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。

Linux启动流程

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

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