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Linux 的啟動流程
作者：阮一峰
半年前，我寫了《計算機是如何啟動的？》，探討BIOS和主引導記錄的作用。
那篇文章不涉及操作係統，隻與主板的板載程序有關。今天，我想接著往下寫，探討操作係統接管硬件以後發生的事情，也就是操作係統的啟動流程。
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，一旦進入操作係統，程序員幾乎可以定製所有方麵。所以，這個部分與程序員的關係更密切。
我主要關心的是Linux操作係統，它是目前服務器端的主流操作係統。下麵的內容針對的是Debian發行版，因為我對其他發行版不夠熟悉。
第一步、加載內核
操作係統接管硬件以後，首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。
以我的電腦為例，/boot 目錄下麵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，它的作用是初始化係統環境。
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，用作桌麵就不需要。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，表明係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，係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目錄下麵，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
上麵目錄名中的”rc”，表示run command（運行程序），最後的d表示directory（目錄）。下麵讓我們看看 /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）。後麵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。
這個目錄裏的所有文件（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（參考這裏和這裏）。
第四步、加載開機啟動程序
前麵提到，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，就會在每一個目錄裏都有一個拷貝。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 目錄裏列出的程序，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裏的啟動腳本。
下麵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，就運行下麵的命令：
$ 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）圖形界麵登錄
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（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，然後啟動這個shell。
（2）ssh登錄：這時係統調用sshd程序（Debian還會再運行/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，然後啟動shell。
（3）圖形界麵登錄：init進程調用顯示管理器，Gnome圖形界麵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麵，讓用戶可以直接與操作係統對話。用戶登錄時打開的shell，就叫做login shell。
Debian默認的shell是Bash，它會讀入一係列的配置文件。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；然後依次尋找下麵三個文件，這是針對當前用戶的配置。
~/.bash_profile ~/.bash_login ~/.profile
需要注意的是，這三個文件隻要有一個存在，就不再讀入後麵的文件了。比如，要是 ~/.bash_profile 存在，就不會再讀入後麵兩個文件了。
（2）ssh登錄：與第一種情況完全相同。
（3）圖形界麵登錄：隻加載 /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麵了。但是，為了內容的完整，必須再介紹一下這一步。
用戶進入操作係統以後，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的定製，都是寫在這個文件裏麵的。
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 也就不能完成定製了？事實上，Debian已經考慮到這個問題了，請打開文件 ~/.profile，可以看到下麵的代碼：
if [ -n "$BASH_VERSION" ]; then if [ -f "$HOME/.bashrc" ]; then . "$HOME/.bashrc" fi fi
上麵代碼先判斷變量 $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，隻要運行～/.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，把下麵代碼寫入.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，是由於曆史原因造成的。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的作者隻好把配置文件分成了幾個部分，階段性載入。係統的通用設置放在 /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，它隻加載.bash_profile，然後在.bash_profile裏麵調用.bashrc。而且，不管是ssh登錄，還是在圖形界麵裏啟動shell窗口，都是如此。
參考鏈接
[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）
最後更新：2017-04-03 07:57:05