Linux系统启动流程

内核加载

在上篇博文里面我说明过计算机如何从远古到近代的启动流程，然后，走到操作系统一层的时候就没有深入阐述了，在这篇博文我将以Linux系统为例来叙述操作系统是如何启动的。

通常在系统/boot目录下放着内核文件，如下：

initramfs-linux.img
vmlinuz-linux

GRUB（或者LILO）加载内核的时候，会把vmlinuz-linux映射到内存并会把它的一个初始根目录的文件镜像（initramfs-linux.img）作为文件系统加载到内存，系统会从这个迷你的初始化文件系统来启动，在这个迷你的文件系统里面又会加载真正的磁盘文件系统，带有这种initramfs的都是这种加载流程，但是，对于那种没有initramfs的（例如：Slackware发行版本），它是加载内核后，内核直接从磁盘加载文件系统，这种区分跟内核配置有关。

内核初始化进行哪些操作？

内核初始操作属于操作系统内核部分的知识，一般来说，主体包括以下（还有很多细节可以参看Linux内核方面的书籍）：

• 系统处于实模式需要切换到保护模式，所以需要设置GDT,LDT，设置平坦模式的内存寻址，在GDT,LDT寄存器里面，可以设置内存保护位，大小等等信息
• 原始的系统没有任何可以使用库，但是不要忘记BIOS提供的中断调用，还有BIOS设定好的各种IO端口，通过它们我们就可以获取和设置计算机信息，从而达到控制计算机，我们可以把它们封装出函数调用，为了兼容历史，我们需要保留部分低位中断，这样把这些函数写成中断调用（即设置IDT中断调用表），按UNIX规范提供一套SYSCALL
• 实际上，我们的计算机内存已经非常大了，所以我们往往需要一种快速定位寻址的机制，在没有硬件支持的时候用软件算法可以达到相似的效果，但是在Intel平台上，提供了Paging机制，利用这种机制我们只需要设置PDE表格（即页表），那么CPU就会自动就加载寻址，这就达到硬件加速的效果
• 但我们设置完了进程相关设置，内存相关设置后，接下来的就是文件系统，文件系统是操作系统的基本要素（目前来说是这样的），内核会按着磁盘上数据格式把文件信息读取，并在内存中构建一个文件存留信息的数据结构（一般不一定是位视图这种表格，多数情况要复杂一些，也就是多层次的可以拓展的树状构型）
• 外设是最复杂的部分，外设需要各种初始化，初始化过的外设才可以正常使用，一般这部分也叫设备驱动流程（这部分也可以延后加载，进行初始化）

初始化程序加载

当内核加载流程全部完成后（只要没有发生出错都会加载完成），内核会启动系统的第一个进程，它就是著名的init进程（pid为1），而现在随着开源社区的发展，出现过好多版本的init程序了，最老也是最稳定的是sysvinit，除此之外还有Upstart之流，不过systemd还是更受青睐，它也是目前互动最多的init初始化开源项目。

Systemd和sysvinit有很大的区别，所以这里分别介绍两者：

Upstart是一个基于事件触发的异步初始化方案，和Sysvinit高度兼容，但这里不作讨论，相关介绍可以查阅其他介绍Upstart的博客或技术Wiki等等

Sysvinit的流程

Sysvinit的启动可以把它看作两个部分：初始化，服务加载。

初始化部分

在Systvinit中，它会读取系统中的 /etc/inittab信息，从而来确定系统下一步的启动步骤。为了判断下一步步骤，系统有一个概念，叫做“运行级别”（runlevel），意思就是要确定以何种场景来启动系统，一般而言，Linux有如下7种运行级别：

• 0 - 关机模式
• 1 - 单用户模式
• 2 - 多用户模式
• 3 - 多用户网络模式
• 4 - 自定义模式
• 5 - 完全模式
• 6 - 重启模式

Runlevel的定义可以参考维基百科的介绍

针对不同的Linux发行版本，上述的定义值不一定相同。

当init程序读取了/etc/inittab中的信息时，该配置文件里面存放了各种运行级别所要进行的操作，假设有如下配置：

# These are the default runlevels in Slackware:
#   0 = halt
#   1 = single user mode
#   2 = unused (but configured the same as runlevel 3)
#   3 = multiuser mode (default Slackware runlevel)
#   4 = X11 with KDM/GDM/XDM (session managers)
#   5 = unused (but configured the same as runlevel 3)
#   6 = reboot

# Default runlevel. (Do not set to 0 or 6)
id:3:initdefault:

# System initialization (runs when system boots).
si:S:sysinit:/etc/rc.d/rc.S

# Script to run when going single user (runlevel 1).
su:1S:wait:/etc/rc.d/rc.K

# Script to run when going multi user.
rc:2345:wait:/etc/rc.d/rc.M

# What to do at the "Three Finger Salute".
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t5 -r now

# Runlevel 0 halts the system.
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc.0

# Runlevel 6 reboots the system.
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc.6

# What to do when power fails.
pf::powerfail:/sbin/genpowerfail start

# If power is back, cancel the running shutdown.
pg::powerokwait:/sbin/genpowerfail stop

# These are the standard console login getties in multiuser mode:
c1:12345:respawn:/sbin/agetty --noclear 38400 tty1 linux
c2:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty2 linux
c3:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty3 linux
c4:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty4 linux
c5:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty5 linux
c6:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty6 linux

# Local serial lines:
#s1:12345:respawn:/sbin/agetty -L ttyS0 9600 vt100
#s2:12345:respawn:/sbin/agetty -L ttyS1 9600 vt100

# Dialup lines:
#d1:12345:respawn:/sbin/agetty -mt60 38400,19200,9600,2400,1200 ttyS0 vt100
#d2:12345:respawn:/sbin/agetty -mt60 38400,19200,9600,2400,1200 ttyS1 vt100

# Runlevel 4 also starts /etc/rc.d/rc.4 to run a display manager for X.
# Display managers are preferred in this order:  gdm, kdm, xdm
x1:4:respawn:/etc/rc.d/rc.4

每一行可以看作是一个函数。

这样以来，第一列对应单个函数的ID（2-4个字母数字组合，只要不重复即可），第二列对应函数Runlevel的值，第三列对应内部Runlevel操作入口（action），第四列是函数要执行的程序或者脚本。

对于函数的操作入口（action）存在如下几种：initdefault, sysinit, boot, bootwait, wait, respawn

例如，以这个函数举例来说：

id:3:initdefault:

当运行Runlevel为3时，就会执行initdefault的入口，它不需要执行脚本或程序，表示默认的Runlevel，其他的函数配置同理。

再看上面的inittab配置，如下这行：

si:S:sysinit:/etc/rc.d/rc.S

它表示系统启动是就运行/etc/rc.d/rc.S脚本，在/etc/rc.d/rc.S脚本里面则包含：

• 挂载sysfs文件目录节点
• 挂载tmpfs文件目录节点
• 挂载proc文件目录节点
• 挂载cgroup文件目录节点
• 启动其他的rc.XX脚本
• 加载需要的内核模块
• 检测文件系统
• 随机数设置
• 等等

对于用多个Runlevel的函数：

rc:2345:wait:/etc/rc.d/rc.M

表示在2345这4个Runlevel下，都会执行/etc/rc.d/rc.M，并等待它执行完成。

init的配置非常的清晰明了，它的启动脚本可以在目录/etc/rc.d下查看。

系统就是这样加载rc.d下的初始化脚本，序列化地完成所有的init初始化流程。

加载服务

Sysvinit中对于服务的加载是通过/etc/rc.d下的初始化脚本来执行的，一般情况下，一个服务都编写一个服务管理的Shell脚本，它可以接受：status，start，stop，restart这样的参数，并把它放在/etc/rc.d/init.d目录下面。

例如，有如下服务（/etc/rc.d/init.d/vbox-usb-service）：

我们就可以执行：

/etc/rc.d/init.d/vbox-usb-service status

来查看此服务是否已经启动，但是一般情况下，系统会为了方便创建了一个软链接（如果系统没有创建该软链接，我们可以手动创建之）：

/etc/init.d

该软链接指向/etc/rc.d/init.d，因此，我们也可以这样重启服务：

/etc/init.d/vbox-usb-service restart

但是，这不是必须这样的组织方式，也可以把服务管理的脚本直接就放在/etc/rc.d目录下，例如：

/etc/rc.d/rc.httpd

该脚本是用于Apache的httpd服务的管理脚本，执行：

/etc/rc.d/rc.httpd start

即可完成httpd服务的启动。

对于一些外部的第三方服务都是放在/etc/rc.d/init.d下面，这样这些脚本只要添加执行权限，就会被初始化脚本自动加载，而不用去更改初始化脚本；而在/etc/rc.d下的服务管理脚本则是Linux发行版本自带的服务，它已经在初始化脚本中做过判断设置，如果我们要把一个第三方的服务管理脚本放到/etc/rc.d下，就意味着我们必须要修改初始化脚本。

Systemd的流程

Systemd中，所有的都以单元组件的形式来加载，这些单元组件很多都可以并发执行，达到快速加载的目的，单元组件的前件和后件构成一套稳定的加载系统。

初始化加载

在以Systemd为init服务的Linux系统中，参看man 7 bootup，以了解更多有关Systemd的启动详情。

加载图示

systemd-graph

由上图可见，在加载sysinit之前，可以加载很多的服务，而这些服务是互相独立无依赖的，因此可以并行地加载，当所有的服务都加载完后，sysinit服务就算加载成功，之后进行下面的服务加载，后面的加载逻辑以此类推。注意到，类似rescue这种是具有特殊用途的服务（这里的服务是用于系统崩溃后的拯救），还有一个独立依赖链，或者没有依赖的服务，被加载到目前的服务的情况，例如上图的remote-fs就是这种。

上图绘制的systemd加载图比较粗糙，细节要复杂一些，有些一个单元的加载可能分好几个步骤来加载，有的可能细分更多的加载逻辑。

用户登录系统

当系统必要的服务都启动后，会分为几种场景：

Runlevel 3 登录

在该模式下，用户自动进入ttyS1来登录系统，init会启动/sbin/agetty提示用户输入用户名和密码，getty和login判断用户合法就让用户进入系统，打开用户的Shell程序。

上述配置，会产生6个用户可以同时登录。

此外，getty和login这种登录验证需要验证密码，通常是读取/etc/passwd下的保存设置来验证用户有效性。

（细节可以参考系统函数：getpass）

Runlevel 4 登录

如果是多用户模式，会启动一个用于管理系统登录的服务（一般PolKit/ConsoleKit最常见），这里以ConsoleKit举例来说，它允许用户在同一硬件设备登录的情况下，不用登出系统还可以再次登录，ConsoleKit以抽象化成会话的模型，从而实现这种登录机制。

在图形登录下，都会使用这种方式来登录系统。

在ConsoleKit的登录验证下，也是通过读取/etc/passwd配置文件的信息来验证用户有效性的。

（对于如何验证的细节，可以参考一个系统提供的安全相关的函数：crypt）

打开用户SHELL/WDM程序

当用户输入名称和密码通过验证后，init程序需要为用户执行一个Shell运行程序，以便使用户能够对系统来进行管理，Shell的种类很多，根据用户的爱好，可以自由选择一款适合的Shell。

常见的Shell有：Bash, Csh, Ash, Tcsh, Zsh等等

Shell被启动后，它就接管了用户的空间，用户可以通过它以命令方式来完成任何操作。

Shell的启动会读取系统全局配置，再基于用户$HOME目录下的配置文件，读取自定义的配置。

通常对于图形界面的登录有一些不同，图形界面的登录启动的不是Shell，而是一个XWindows的WDM，即一个窗口管理器，它接管用户空间，为用户初始化图形化设置，并展示图形界面。

常见的 WDM有：GDM，SDDM，KDM等等