Linux 的啟動流程

半年前，我寫了《計算機是如何啟動的？》，探討BIOS和主開機記錄的作用。

那篇文章不涉及作業系統，只與主機板的板載程式有關。今天，我想接著往下寫，探討作業系統接管硬體以後發生的事情，也就是作業系統的啟動流程。

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，程式設計師可以做的事情並不多；但是，一旦進入作業系統，程式設計師幾乎可以定製所有方面。所以，這個部分與程式設計師的關係更密切。

我主要關心的是Linux作業系統，它是目前伺服器端的主流作業系統。下面的內容針對的是Debian發行版，因為我對其他發行版不夠熟悉。

第一步、載入核心

作業系統接管硬體以後，首先讀入 /boot 目錄下的核心檔案。

以我的電腦為例，/boot 目錄下面大概是這樣一些檔案：

第二步、啟動初始化程式

核心檔案載入以後，就開始執行第一個程式 /sbin/init，它的作用是初始化系統環境。

由於init是第一個執行的程式，它的程式編號（pid）就是1。其他所有程式都從它衍生，都是它的子程式。

第三步、確定執行級別

許多程式需要開機啟動。它們在Windows叫做”服務”（service），在Linux就叫做”守護程式“（daemon）。

init程式的一大任務，就是去執行這些開機啟動的程式。但是，不同的場合需要啟動不同的程式，比如用作伺服器時，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式，這就叫做”執行級別“（runlevel）。也就是說，啟動時根據”執行級別”，確定要執行哪些程式。

Linux預置七種執行級別（0-6）。一般來說，0是關機，1是單使用者模式（也就是維護模式），6是重啟。執行級別2-5，各個發行版不太一樣，對於Debian來說，都是同樣的多使用者模式（也就是正常模式）。

init程式首先讀取檔案 /etc/inittab，它是執行級別的設定檔案。如果你開啟它，可以看到第一行是這樣的：

　　 

initdefault的值是2，表明系統啟動時的執行級別為2。如果需要指定其他級別，可以手動修改這個值。

那麼，執行級別2有些什麼程式呢，系統怎麼知道每個級別應該載入哪些程式呢？……回答是每個執行級別在/etc目錄下面，都有一個對應的子目錄，指定要載入的程式。

上面目錄名中的”rc”，表示run command（執行程式），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式。

可以看到，除了第一個檔案README以外，其他檔名都是”字母S+兩位數字+程式名”的形式。字母S表示Start，也就是啟動的意思（啟動指令碼的執行引數為start），如果這個位置是字母K，就代表Kill（關閉），即如果從其他執行級別切換過來，需要關閉的程式（啟動指令碼的執行引數為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式是motd，然後是rpcbing、nfs……數字相同時，則按照程式名的字母順序啟動，所以rsyslog會先於sudo啟動。

這個目錄裡的所有檔案（除了README），就是啟動時要載入的程式。如果想增加或刪除某些程式，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（參考這裡和這裡）。

第四步、載入開機啟動程式

前面提到，七種預設的”執行級別”各自有一個目錄，存放需要開機啟動的程式。不難想到，如果多個”執行級別”需要啟動同一個程式，那麼這個程式的啟動指令碼，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：如果要修改啟動指令碼，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 目錄裡列出的程式，都設為連結檔案，指向另外一個目錄 /etc/init.d ，真正的啟動指令碼都統一放在這個目錄中。init程式逐一載入開機啟動程式，其實就是執行這個目錄裡的啟動指令碼。

下面就是連結檔案真正的指向。

這樣做的另一個好處，就是如果你要手動關閉或重啟某個程式，直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啟動指令碼即可。比如，我要重啟Apache伺服器，就執行下面的命令：

/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，用來與程式 /etc/init 區分。

第五步、使用者登入

開機啟動程式載入完畢以後，就要讓使用者登入了。

一般來說，使用者的登入方式有三種：

（1）命令列登入

（2）ssh登入

（3）圖形介面登入

這三種情況，都有自己的方式對使用者進行認證。

（1）命令列登入：init程式呼叫getty程式（意為get teletype），讓使用者輸入使用者名稱和密碼。輸入完成後，再呼叫login程式，核對密碼（Debian還會再多執行一個身份核對程式/etc/pam.d/login）。如果密碼正確，就從檔案 /etc/passwd 讀取該使用者指定的shell，然後啟動這個shell。

（2）ssh登入：這時系統呼叫sshd程式（Debian還會再執行/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，然後啟動shell。

（3）圖形介面登入：init程式呼叫顯示管理器，Gnome圖形介面對應的顯示管理器為gdm（GNOME Display Manager），然後使用者輸入使用者名稱和密碼。如果密碼正確，就讀取/etc/gdm3/Xsession，啟動使用者的會話。

第六步、進入 login shell

所謂shell，簡單說就是命令列介面，讓使用者可以直接與作業系統對話。使用者登入時開啟的shell，就叫做login shell。

Debian預設的shell是Bash，它會讀入一系列的配置檔案。上一步的三種情況，在這一步的處理，也存在差異。

（1）命令列登入：首先讀入 /etc/profile，這是對所有使用者都有效的配置；然後依次尋找下面三個檔案，這是針對當前使用者的配置。

　 

需要注意的是，這三個檔案只要有一個存在，就不再讀入後面的檔案了。比如，要是 ~/.bash_profile 存在，就不會再讀入後面兩個檔案了。

（2）ssh登入：與第一種情況完全相同。

（3）圖形介面登入：只載入 /etc/prfile 和 ~/.profile。也就是說，~/.bash_profile 不管有沒有，都不會執行。

第七步，開啟 non-login shell

老實說，上一步完成以後，Linux的啟動過程就算結束了，使用者已經可以看到命令列提示符或者圖形介面了。但是，為了內容的完整，必須再介紹一下這一步。

使用者進入作業系統以後，常常會再手動開啟一個shell。這個shell就叫做 non-login shell，意思是它不同於登入時出現的那個shell，不讀取/etc/profile和.profile等配置檔案。

non-login shell的重要性，不僅在於它是使用者最常接觸的那個shell，還在於它會讀入使用者自己的bash配置檔案 ~/.bashrc。大多數時候，我們對於bash的定製，都是寫在這個檔案裡面的。

你也許會問，要是不進入 non-login shell，豈不是.bashrc就不會執行了，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，請開啟檔案 ~/.profile，可以看到下面的程式碼：

上面程式碼先判斷變數 $BASH_VERSION 是否有值，然後判斷主目錄下是否存在 .bashrc 檔案，如果存在就執行該檔案。第三行開頭的那個點，是source命令的簡寫形式，表示執行某個檔案，寫成”source ~/.bashrc”也是可以的。

因此，只要執行～/.profile檔案，～/.bashrc檔案就會連帶執行。但是上一節的第一種情況提到過，如果存在～/.bash_profile檔案，那麼有可能不會執行～/.profile檔案。解決這個問題很簡單，把下面程式碼寫入.bash_profile就行了。

這樣一來，不管是哪種情況，.bashrc都會執行，使用者的設定可以放心地都寫入這個檔案了。

Bash的設定之所以如此繁瑣，是由於歷史原因造成的。早期的時候，計算機執行速度很慢，載入配置檔案需要很長時間，Bash的作者只好把配置檔案分成了幾個部分，階段性載入。系統的通用設定放在 /etc/profile，使用者個人的、需要被所有子程式繼承的設定放在.profile，不需要被繼承的設定放在.bashrc。

順便提一下，除了Linux以外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。但是，它只載入.bash_profile，然後在.bash_profile裡面呼叫.bashrc。而且，不管是ssh登入，還是在圖形介面裡啟動shell視窗，都是如此。

參考連結

[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）