Linux啟動詳解


 

<概述>
Linux啟動大致分為一下幾個步驟,詳細的啟動步驟在<啟動分析>中詳解。

 

 

1:首先bios加電自檢,初始化(這個過程會檢測相關硬件(cpu,內存,顯卡,硬盤等))

 

 

2:加載內核,讀取/boot里邊的配置文件

 

 

3:啟動初始化進程,開始運行/sbin/init

 

 

4:讀取/etc/initab確定運行級別

 

 

5:根據/etc/rc.d/rcN.d加載開機啟動程序,rcN.d都是連接文件 (這里的"N"代表數字) ,都指向/etc/rc.d/init.d 。
6:再運行/etc/rc.d/rc.local

 

 

7:用於登錄(3種方式ssh,命令行,圖形化)

 

 

8:進入loginshell , 以命令行為例,首先讀取/etc/profile這個全局配置文件,然后再針對當前用戶讀取家目錄(home)中的~/.bash_profile和~/.bash_login和~/.profile

 

注意:Linux中常見的"rc"一般是"run command"的縮寫,常用用在腳本文件名稱中。

 

<啟動分析>

接下來分析操作系統接管硬件以后發生的事情,也就是操作系統的啟動流程。

    這個部分比較有意思。因為在BIOS階段,計算機的行為基本上被寫死了,程序員可以做的事情並不多;但是,一旦進入操作系統,程序員幾乎可以定制所有方面。所以,這個部分與程序員的關系更密切。

我主要關心的是Linux操作系統,它是目前服務器端的主流操作系統。下面的內容針對的是Debian發行版.

1:加載內核

操作系統接管硬件以后,首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。

以我的電腦為例,/boot 目錄下面大概是這樣一些文件:

 

 $ 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

 


 
 

2:啟動初始化進程

內核文件加載以后,就開始運行第一個程序 /sbin/init,它的作用是初始化系統環境。

由於init是第一個運行的程序,它的進程編號(pid)就是1。其他所有進程都從它衍生,都是它的子進程。

3:確定運行級別

    許多程序需要開機啟動。它們在Windows叫做"服務"(service),在Linux就叫做"守護進程"(daemon)。

    init進程的一大任務,就是去運行這些開機啟動的程序。但是,不同的場合需要啟動不同的程序,比如用作服務器時,需要啟動Apache,用作桌面就不需要。Linux允許為不同的場合,分配不同的開機啟動程序,這就叫做"運行級別"(runlevel)。也就是說,啟動時根據"運行級別",確定要運行哪些程序。

Linux預置七種運行級別(0-6)。一般來說,0是關機,1是單用戶模式(也就是維護模式),6是重啟。運行級別2-5,各個發行版不太一樣,對於Debian來說,都是同樣的多用戶模式(也就是正常模式)。

init進程首先讀取文件 /etc/inittab,它是運行級別的設置文件。如果你打開它,可以看到第一行是這樣的:

id:2:initdefault:
 
 
 

initdefault的值是2,表明系統啟動時的運行級別為2。如果需要指定其他級別,可以手動修改這個值。那么,運行級別2有些什么程序呢,系統怎么知道每個級別應該加載哪些程序呢?每個運行級別在/etc目錄下面,都有一個對應的子目錄,指定要加載的程序。

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

 
 

 


 
 
 

上面目錄名中的"rc",表示run command(運行程序),最后的d表示directory(目錄)。下面是/etc/rc2.d 目錄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,除了第一個文件README以外,其他文件名都是"字母S+兩位數字+程序名"的形式。字母S表示Start,也就是啟動的意思(啟動腳本的運行參數為start),如果這個位置是字母K,就代表Kill(關閉),即如果從其他運行級別切換過來,需要關閉的程序(啟動腳本的運行參數為stop)。后面的兩位數字表示處理順序,數字越小越早處理,所以第一個啟動的程序是motd,然后是rpcbing、nfs......數字相同時,則按照程序名的字母順序啟動,所以rsyslog會先於sudo啟動。這個目錄里的所有文件(除了README),就是啟動時要加載的程序。如果想增加或刪除某些程序,不建議手動修改 /etc/rcN.d 目錄,最好是用一些專門命令進行管理

4:加載開機啟動程序

    前面提到,七種預設的"運行級別"各自有一個目錄,存放需要開機啟動的程序。不難想到,如果多個"運行級別"需要啟動同一個程序,那么這個程序的啟動腳本,就會在每一個目錄里都有一個拷貝。這樣會造成管理上的困擾:如果要修改啟動腳本,豈不是每個目錄都要改一遍?

Linux的解決辦法,就是七個 /etc/rcN.d 目錄里列出的程序,都設為鏈接文件,指向另外一個目錄 /etc/init.d ,真正的啟動腳本都統一放在這個目錄中。init進程逐一加載開機啟動程序,其實就是運行這個目錄里的啟動腳本。

下面就是鏈接文件真正的指向。

 $ 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
 ..

 

 
 
 
 
 
 
這樣做的另一個好處,就是如果你要手動關閉或重啟某個進程,直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啟動腳本即可。比如,我要重啟Apache服務器,就運行下面的命令:
$ sudo /etc/init.d/apache2 restart

 

 
 
 
 

/etc/init.d 這個目錄名最后一個字母d,是directory的意思,表示這是一個目錄,用來與程序 /etc/init 區分

5:用戶登錄

開機啟動程序加載完畢以后,就要讓用戶登錄了。

一般來說,用戶的登錄方式有三種:

  (1)命令行登錄

  (2)ssh登錄

  (3)圖形界面登錄

這三種情況,都有自己的方式對用戶進行認證。

(1)命令行登錄:init進程調用getty程序(意為get teletype),讓用戶輸入用戶名和密碼。輸入完成后,再調用login程序,核對密碼(Debian還會再多運行一個身份核對程序/etc/pam.d/login)。如果密碼正確,就從文件 /etc/passwd 讀取該用戶指定的shell,然后啟動這個shell。

(2)ssh登錄:這時系統調用sshd程序(Debian還會再運行/etc/pam.d/ssh ),取代getty和login,然后啟動shell。

(3)圖形界面登錄:init進程調用顯示管理器,Gnome圖形界面對應的顯示管理器為gdm(GNOME Display Manager),然后用戶輸入用戶名和密碼。如果密碼正確,就讀取/etc/gdm3/Xsession,啟動用戶的會話。

6:進入 login shell

所謂shell,簡單說就是命令行界面,讓用戶可以直接與操作系統對話。用戶登錄時打開的shell,就叫做login shell。

Debian默認的shell是Bash,它會讀入一系列的配置文件。上一步的三種情況,在這一步的處理,也存在差異。

(1)命令行登錄:首先讀入 /etc/profile,這是對所有用戶都有效的配置;然后依次尋找下面三個文件,這是針對當前用戶的配置。

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

 

 
 
 

需要注意的是,這三個文件只要有一個存在,就不再讀入后面的文件了。比如,要是 ~/.bash_profile 存在,就不會再讀入后面兩個文件了。

(2)ssh登錄:與第一種情況完全相同。

(3)圖形界面登錄:只加載 /etc/profile 和 ~/.profile。也就是說,~/.bash_profile 不管有沒有,都不會運行。

7:打開 non-login shell

老實說,上一步完成以后,Linux的啟動過程就算結束了,用戶已經可以看到命令行提示符或者圖形界面了。但是,為了內容的完整,必須再介紹一下這一步。

用戶進入操作系統以后,常常會再手動開啟一個shell。這個shell就叫做 non-login shell,意思是它不同於登錄時出現的那個shell,不讀取/etc/profile和.profile等配置文件。

non-login shell的重要性,不僅在於它是用戶最常接觸的那個shell,還在於它會讀入用戶自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多數時候,我們對於bash的定制,都是寫在這個文件里面的。

你也許會問,要是不進入 non-login shell,豈不是.bashrc就不會運行了,因此bash 也就不能完成定制了?事實上,Debian已經考慮到這個問題了,請打開文件 ~/.profile,可以看到下面的代碼:

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

 


  
 
 

上面代碼先判斷變量 $BASH_VERSION 是否有值,然后判斷主目錄下是否存在 .bashrc 文件,如果存在就運行該文件。第三行開頭的那個點,是source命令的簡寫形式,表示運行某個文件,寫成"source ~/.bashrc"也是可以的。

因此,只要運行~/.profile文件,~/.bashrc文件就會連帶運行。但是上一節的第一種情況提到過,如果存在~/.bash_profile文件,那么有可能不會運行~/.profile文件。解決這個問題很簡單,把下面代碼寫入.bash_profile就行了。

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

 

 
 
 
 
 

這樣一來,不管是哪種情況,.bashrc都會執行,用戶的設置可以放心地都寫入這個文件了。

Bash的設置之所以如此繁瑣,是由於歷史原因造成的。早期的時候,計算機運行速度很慢,載入配置文件需要很長時間,Bash的作者只好把配置文件分成了幾個部分,階段性載入。系統的通用設置放在 /etc/profile,用戶個人的、需要被所有子進程繼承的設置放在.profile,不需要被繼承的設置放在.bashrc。

順便提一下,除了Linux以外, Mac OS X 使用的shell也是Bash。但是,它只加載.bash_profile,然后在.bash_profile里面調用.bashrc。而且,不管是ssh登錄,還是在圖形界面里啟動shell窗口,都是如此。

 

 

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