淺顯易懂 Linux 的啓動流程
今天，一起探討操作系統的啓動流程。
這個部分比較有意思。因爲在 BIOS 階段，計算機的行爲基本上被寫死了，程序員可以做的事情並不多；但是，一旦進入操作系統，程序員幾乎可以定製所有方面。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，因爲我對其他發行版不夠熟悉。
1、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。
以我的電腦爲例，/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、啓動初始化進程
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。
3、確定運行級別
許多程序需要開機啓動。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啓動的程序。但是，不同的場合需要啓動不同的程序，比如用作服務器時，需要啓動 Apache，用作桌面就不需要。Linux 允許爲不同的場合，分配不同的開機啓動程序，這就叫做 "運行級別"（runlevel）。也就是說，啓動時根據 "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 是重啓。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，表明系統啓動時的運行級別爲 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，也就是啓動的意思（啓動腳本的運行參數爲 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（啓動腳本的運行參數爲 stop）。
後面的兩位數字表示處理順序，數字越小越早處理，所以第一個啓動的程序是 motd，然後是 rpcbing、nfs...... 數字相同時，則按照程序名的字母順序啓動，所以 rsyslog 會先於 sudo 啓動。
這個目錄裏的所有文件（除了 README），就是啓動時要加載的程序。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）。
4、加載開機啓動程序
前面提到，七種預設的 "運行級別" 各自有一個目錄，存放需要開機啓動的程序。不難想到，如果多個 "運行級別" 需要啓動同一個程序，那麼這個程序的啓動腳本，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：如果要修改啓動腳本，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，都設爲鏈接文件，指向另外一個目錄 /etc/init.d ，真正的啓動腳本都統一放在這個目錄中。init 進程逐一加載開機啓動程序，其實就是運行這個目錄裏的啓動腳本。
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啓某個進程，直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啓動腳本即可。比如，我要重啓 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。
5、用戶登錄
開機啓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（意爲 get teletype），讓用戶輸入用戶名和密碼。輸入完成後，再調用 login 程序，覈對密碼（Debian 還會再多運行一個身份覈對程序 / 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，然後啓動這個 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，然後啓動 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爲 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，啓動用戶的會話。
6、進去 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。
7、打開 non-login shell
老實說，上一步完成以後，Linux 的啓動過程就算結束了，用戶已經可以看到命令行提示符或者圖形界面了。但是，爲了內容的完整，必須再介紹一下這一步。
用戶進入操作系統以後，常常會再手動開啓一個 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 裏面調用. bashrc。而且，不管是 ssh 登錄，還是在圖形界面裏啓動 shell 窗口，都是如此。
原文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/08/
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