Linux 的启动流程

本文转自： https://www.cnblogs.com/AI-Algorithms/p/3585281.html

计算机是如何启动的？一文不涉及操做系统，只与主板的板载程序有关。今天，我想接着往下写，探讨操做系统接管硬件之后发生的事情，也就是操做系统的启动流程。

这个部分比较有意思。由于在BIOS阶段，计算机的行为基本上被写死了，程序员能够作的事情并很少；可是，一旦进入操做系统，程序员几乎能够定制全部方面。因此，这个部分与程序员的关系更密切。

我主要关心的是Linux操做系统，它是目前服务器端的主流操做系统。下面的内容针对的是Debian发行版，由于我对其余发行版不够熟悉。

第一步、加载内核

操做系统接管硬件之后，首先读入 /boot 目录下的内核文件。

以个人电脑为例，/boot 目录下面大概是这样一些文件：
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$ 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

内核文件加载之后，就开始运行第一个程序 /sbin/init，它的做用是初始化系统环境。

因为init是第一个运行的程序，它的进程编号（pid）就是1。其余全部进程都从它衍生，都是它的子进程。

第三步、肯定运行级别

许多程序须要开机启动。它们在Windows叫作”服务”（service），在Linux就叫作”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。可是，不一样的场合须要启动不一样的程序，好比用做服务器时，须要启动Apache，用做桌面就不须要。Linux容许为不一样的场合，分配不一样的开机启动程序，这就叫作”运行级别“（runlevel）。也就是说，启动时根据”运行级别”，肯定要运行哪些程序。

Linux预置七种运行级别（0-6）。通常来讲，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，各个发行版不太同样，对于Debian来讲，都是一样的多用户模式（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。若是你打开它，能够看到第一行是这样的：
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id:2:initdefault:

initdefault的值是2，代表系统启动时的运行级别为2。若是须要指定其余级别，能够手动修改这个值。

那么，运行级别2有些什么程序呢，系统怎么知道每一个级别应该加载哪些程序呢？……回答是每一个运行级别在/etc目录下面，都有一个对应的子目录，指定要加载的程序。
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/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）。下面让咱们看看 /etc/rc2.d 目录中到底指定了哪些程序。
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$ls /etc/rc2.d

README
S01motd
S13rpcbind
S14nfs-common
S16binfmt-support
S16rsyslog
S16sudo
S17apache2
S18acpid
...

能够看到，除了第一个文件README之外，其余文件名都是”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），若是这个位置是字母K，就表明Kill（关闭），即若是从其余运行级别切换过来，须要关闭的程序（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，因此第一个启动的程序是motd，而后是rpcbing、nfs……数字相同时，则按照程序名的字母顺序启动，因此rsyslog会先于sudo启动。

这个目录里的全部文件（除了README），就是启动时要加载的程序。若是想增长或删除某些程序，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（参考这里和这里）。

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，存放须要开机启动的程序。不难想到，若是多个”运行级别”须要启动同一个程序，那么这个程序的启动脚本，就会在每个目录里都有一个拷贝。这样会形成管理上的困扰：若是要修改启动脚本，岂不是每一个目录都要改一遍？

Linux的解决办法，就是七个 /etc/rcN.d 目录里列出的程序，都设为连接文件，指向另一个目录 /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。

下面就是连接文件真正的指向。
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$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
...

这样作的另外一个好处，就是若是你要手动关闭或重启某个进程，直接到目录 /etc/init.d 中寻找启动脚本便可。好比，我要重启Apache服务器，就运行下面的命令：
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$sudo/etc/init.d/apache2restart

/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、用户登陆

开机启动程序加载完毕之后，就要让用户登陆了。

通常来讲，用户的登陆方式有三种：

（1）命令行登陆

（2）ssh登陆

（3）图形界面登陆

这三种状况，都有本身的方式对用户进行认证。

（1）命令行登陆：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）。若是密码正确，就从文件 /etc/passwd 读取该用户指定的shell，而后启动这个shell。

（2）ssh登陆：这时系统调用sshd程序（Debian还会再运行/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，而后启动shell。

（3）图形界面登陆：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），而后用户输入用户名和密码。若是密码正确，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，让用户能够直接与操做系统对话。用户登陆时打开的shell，就叫作login shell。

Debian默认的shell是Bash，它会读入一系列的配置文件。上一步的三种状况，在这一步的处理，也存在差别。

（1）命令行登陆：首先读入 /etc/profile，这是对全部用户都有效的配置；而后依次寻找下面三个文件，这是针对当前用户的配置。
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~/.bash_profile
~/.bash_login
~/.profile

须要注意的是，这三个文件只要有一个存在，就再也不读入后面的文件了。好比，要是 ~/.bash_profile 存在，就不会再读入后面两个文件了。

（2）ssh登陆：与第一种状况彻底相同。

（3）图形界面登陆：只加载 /etc/prfile 和 ~/.profile。也就是说，~/.bash_profile 无论有没有，都不会运行。

第七步，打开 non-login shell

老实说，上一步完成之后，Linux的启动过程就算结束了，用户已经能够看到命令行提示符或者图形界面了。可是，为了内容的完整，必须再介绍一下这一步。

用户进入操做系统之后，经常会再手动开启一个shell。这个shell就叫作 non-login shell，意思是它不一样于登陆时出现的那个shell，不读取/etc/profile和.profile等配置文件。

non-login shell的重要性，不只在于它是用户最常接触的那个shell，还在于它会读入用户本身的bash配置文件 ~/.bashrc。大多数时候，咱们对于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，所以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，能够看到下面的代码：
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if[ -n"$BASH_VERSION"];then
if[ -f"$HOME/.bashrc"];then
."$HOME/.bashrc"
fi
fi<span style="font-family: Monaco, Consolas, 'Andale Mono', 'DejaVu Sans Mono', monospace; font-style: normal;"> </span>

上面代码先判断变量 $BASH_VERSION 是否有值，而后判断主目录下是否存在 .bashrc 文件，若是存在就运行该文件。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”也是能够的。

所以，只要运行～/.profile文件，～/.bashrc文件就会连带运行。可是上一节的第一种状况提到过，若是存在～/.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就好了。
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if[ -f ~/.profile ]; then
. ~/.profile
fi

这样一来，不论是哪一种状况，.bashrc都会执行，用户的设置能够放心地都写入这个文件了。

Bash的设置之因此如此繁琐，是因为历史缘由形成的。早期的时候，计算机运行速度很慢，载入配置文件须要很长时间，Bash的做者只好把配置文件分红了几个部分，阶段性载入。系统的通用设置放在 /etc/profile，用户我的的、须要被全部子进程继承的设置放在.profile，不须要被继承的设置放在.bashrc。

顺便提一下，除了Linux之外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。可是，它只加载.bash_profile，而后在.bash_profile里面调用.bashrc。并且，不论是ssh登陆，仍是在图形界面里启动shell窗口，都是如此。

参考连接

[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）