在BIOS階段,計算機的行為基本上被寫死了,可以做的事情並不多;一般就是通電、BIOS、主引導記錄、操作系統這四步。所以我們一般認為加載內核是linux啟動流程的第一步。
第一步、加載內核
操作系統接管硬件以後,首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。
我們查看一下,/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
第二步、啟動初始化進程
內核文件加載以後,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。
第三步、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。
那麼,運行級別2有些什麼程序呢,系統怎麼知道每個級別應該加載哪些程序呢?回答是每個運行級別在/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),最後的d表示directory(目錄)。下面讓我們看看 /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)。後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,然後是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。
這個目錄裡的所有文件(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,最好是用專門命令進行管理。
第四步、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,那麼這個程序的啟動腳本,就會在每一個目錄裡都有一個拷貝。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 目錄裡列出的程序,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裡的啟動腳本。
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 這個目錄名最後一個字母d,是directory的意思,表示這是一個目錄,用來與程序 /etc/init 區分。
第五步、用戶登錄
開機啟動程序加載完畢以後,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。輸入完成後,再調用login程序,核對密碼(linux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,然後啟動這個shell。
(2)ssh登錄:這時系統調用sshd程序(linux還會再運行/etc/pam.d/ssh ),取代getty和login,然後啟動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),然後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。
第六步、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。
linux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;然後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,就不再讀入後面的文件了。比如,要是 ~/.bash_profile 存在,就不會再讀入後面兩個文件了。
(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。
第七步,打開 non-login shell
老實說,上一步完成以後,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後,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,都是寫在這個文件裡面的。
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,然後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,那麼有可能不會運行~/.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,然後在.bash_profile裡面調用.bashrc,而且不管是ssh登錄還是在圖形界面裡啟動shell窗口都是如此。