arm linux 啟動(dòng)流程

本文探討Linux操作系統(tǒng)接管硬件以后發(fā)生的事情，也就是操作系統(tǒng)的啟動(dòng)流程。

這個(gè)部分比較有意思。因?yàn)樵贐IOS階段（相當(dāng)與嵌入式ARM Linux的 bootloader），計(jì)算機(jī)的行為基本上被寫死了，程序員可以做的事情并不多；但是，一旦進(jìn)入操作系統(tǒng)，程序員幾乎可以定制所有方面。所以，這個(gè)部分與程序員的關(guān)系更密切。

我主要關(guān)心的是Linux操作系統(tǒng)，它是目前服務(wù)器端的主流操作系統(tǒng)。下面的內(nèi)容針對(duì)的是Debian發(fā)行版，因?yàn)槲覍?duì)其他發(fā)行版不夠熟悉。

第一步、加載內(nèi)核

操作系統(tǒng)接管硬件以后，首先讀入 /boot 目錄下的內(nèi)核文件。

以我的電腦為例，/boot 目錄下面大概是這樣一些文件，ARM Linux一般則比較精簡，該目錄下為空：

$ ls /bootconfig-3.2.0-3-amd64config-3.2.0-4-amd64grubinitrd.img-3.2.0-3-amd64initrd.img-3.2.0-4-amd64System.map-3.2.0-3-amd64System.map-3.2.0-4-amd64vmlinuz-3.2.0-3-amd64vmlinuz-3.2.0-4-amd64

第二步、啟動(dòng)初始化進(jìn)程

內(nèi)核文件加載以后，就開始運(yùn)行第一個(gè)程序 /sbin/init，它的作用是初始化系統(tǒng)環(huán)境。

由于init是第一個(gè)運(yùn)行的程序，它的進(jìn)程編號(hào)（pid）就是1。其他所有進(jìn)程都從它衍生，都是它的子進(jìn)程。

第三步、確定運(yùn)行級(jí)別

許多程序需要開機(jī)啟動(dòng)。它們?cè)赪indows叫做”服務(wù)”（service），在Linux就叫做”守護(hù)進(jìn)程“（daemon）。

init進(jìn)程的一大任務(wù)，就是去運(yùn)行這些開機(jī)啟動(dòng)的程序。但是，不同的場合需要啟動(dòng)不同的程序，比如用作服務(wù)器時(shí)，需要啟動(dòng)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(jī)啟動(dòng)程序，這就叫做”運(yùn)行級(jí)別“（runlevel）。也就是說，啟動(dòng)時(shí)根據(jù)”運(yùn)行級(jí)別”，確定要運(yùn)行哪些程序。

Linux預(yù)置七種運(yùn)行級(jí)別（0-6）。一般來說，0是關(guān)機(jī)，1是單用戶模式（也就是維護(hù)模式），6是重啟。運(yùn)行級(jí)別2-5，各個(gè)發(fā)行版不太一樣，對(duì)于Debian來說，都是同樣的多用戶模式（也就是正常模式）。

init進(jìn)程首先讀取文件 /etc/inittab，它是運(yùn)行級(jí)別的設(shè)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(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)行級(jí)別為2。如果需要指定其他級(jí)別，可以手動(dòng)修改這個(gè)值。

那么，運(yùn)行級(jí)別2有些什么程序呢，系統(tǒng)怎么知道每個(gè)級(jí)別應(yīng)該加載哪些程序呢？……回答是每個(gè)運(yùn)行級(jí)別在/etc目錄下面，都有一個(gè)對(duì)應(yīng)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(yùn)行程序），最后的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　READMES01motdS13rpcbindS14nfs-commonS16binfmt-supportS16rsyslogS16sudoS17apache2S18acpid...

可以看到，除了第一個(gè)文件README以外，其他文件名都是”字母S+兩位數(shù)字+程序名”的形式。字母S表示Start，也就是啟動(dòng)的意思（啟動(dòng)腳本的運(yùn)行參數(shù)為start），如果這個(gè)位置是字母K，就代表Kill（關(guān)閉），即如果從其他運(yùn)行級(jí)別切換過來，需要關(guān)閉的程序（啟動(dòng)腳本的運(yùn)行參數(shù)為stop）。后面的兩位數(shù)字表示處理順序，數(shù)字越小越早處理，所以第一個(gè)啟動(dòng)的程序是motd，然后是rpcbing、nfs……數(shù)字相同時(shí)，則按照程序名的字母順序啟動(dòng)，所以rsyslog會(huì)先于sudo啟動(dòng)。

這個(gè)目錄里的所有文件（除了README），就是啟動(dòng)時(shí)要加載的程序。如果想增加或刪除某些程序，不建議手動(dòng)修改 /etc/rcN.d 目錄，最好是用一些專門命令進(jìn)行管理。

第四步、加載開機(jī)啟動(dòng)程序

前面提到，七種預(yù)設(shè)的”運(yùn)行級(jí)別”各自有一個(gè)目錄，存放需要開機(jī)啟動(dòng)的程序。不難想到，如果多個(gè)”運(yùn)行級(jí)別”需要啟動(dòng)同一個(gè)程序，那么這個(gè)程序的啟動(dòng)腳本，就會(huì)在每一個(gè)目錄里都有一個(gè)拷貝。這樣會(huì)造成管理上的困擾：如果要修改啟動(dòng)腳本，豈不是每個(gè)目錄都要改一遍？

Linux的解決辦法，就是七個(gè) /etc/rcN.d 目錄里列出的程序，都設(shè)為鏈接文件，指向另外一個(gè)目錄 /etc/init.d ，真正的啟動(dòng)腳本都統(tǒng)一放在這個(gè)目錄中。init進(jìn)程逐一加載開機(jī)啟動(dòng)程序，其實(shí)就是運(yùn)行這個(gè)目錄里的啟動(dòng)腳本。

下面就是鏈接文件真正的指向。

$ ls -l /etc/rc2.dREADMES01motd -> ../init.d/motdS13rpcbind -> ../init.d/rpcbindS14nfs-common -> ../init.d/nfs-commonS16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-supportS16rsyslog -> ../init.d/rsyslogS16sudo -> ../init.d/sudoS17apache2 -> ../init.d/apache2S18acpid -> ../init.d/acpid...　

這樣做的另一個(gè)好處，就是如果你要手動(dòng)關(guān)閉或重啟某個(gè)進(jìn)程，直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啟動(dòng)腳本即可。比如，我要重啟Apache服務(wù)器，就運(yùn)行下面的命令：

$ sudo /etc/init.d/apache2 restart

/etc/init.d 這個(gè)目錄名最后一個(gè)字母d，是directory的意思，表示這是一個(gè)目錄，用來與程序 /etc/init 區(qū)分。

第五步、用戶登錄

開機(jī)啟動(dòng)程序加載完畢以后，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(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證。

1. 命令行登錄：init進(jìn)程調(diào)用getty程序（意為get teletype），讓用戶輸入用戶名和密碼。輸入完成后，再調(diào)用login程序，核對(duì)密碼（Debian還會(huì)再多運(yùn)行一個(gè)身份核對(duì)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，然后啟動(dòng)這個(gè)shell。
2. ssh登錄：這時(shí)系統(tǒng)調(diào)用sshd程序（Debian還會(huì)再運(yùn)行/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，然后啟動(dòng)shell。
3. 圖形界面登錄：init進(jìn)程調(diào)用顯示管理器，Gnome圖形界面對(duì)應(yīng)的顯示管理器為gdm（GNOME Display Manager），然后用戶輸入用戶名和密碼。如果密碼正確，就讀取/etc/gdm3/Xsession，啟動(dòng)用戶的會(huì)話。

第六步、進(jìn)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(tǒng)對(duì)話。用戶登錄時(shí)打開的shell，就叫做login shell。

Debian默認(rèn)的shell是Bash，它會(huì)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(duì)所有用戶都有效的配置；然后依次尋找下面三個(gè)文件，這是針對(duì)當(dāng)前用戶的配置。

　　~/.bash_profile　　~/.bash_login　　~/.profile　　

需要注意的是，這三個(gè)文件只要有一個(gè)存在，就不再讀入后面的文件了。比如，要是 ~/.bash_profile 存在，就不會(huì)再讀入后面兩個(gè)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(huì)運(yùn)行。

第七步，打開 non-login shell

老實(shí)說，上一步完成以后，Linux的啟動(dòng)過程就算結(jié)束了，用戶已經(jīng)可以看到命令行提示符或者圖形界面了。但是，為了內(nèi)容的完整，必須再介紹一下這一步。

用戶進(jìn)入操作系統(tǒng)以后，常常會(huì)再手動(dòng)開啟一個(gè)shell。這個(gè)shell就叫做 non-login shell，意思是它不同于登錄時(shí)出現(xiàn)的那個(gè)shell，不讀取/etc/profile和.profile等配置文件。

non-login shell的重要性，不僅在于它是用戶最常接觸的那個(gè)shell，還在于它會(huì)讀入用戶自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多數(shù)時(shí)候，我們對(duì)于bash的定制，都是寫在這個(gè)文件里面的。

你也許會(huì)問，要是不進(jìn)入 non-login shell，豈不是.bashrc就不會(huì)運(yùn)行了，因此bash 也就不能完成定制了？事實(shí)上，Debian已經(jīng)考慮到這個(gè)問題了，請(qǐng)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，然后判斷主目錄下是否存在 .bashrc 文件，如果存在就運(yùn)行該文件。第三行開頭的那個(gè)點(diǎn)，是source命令的簡寫形式，表示運(yùn)行某個(gè)文件，寫成”source ~/.bashrc”也是可以的。

因此，只要運(yùn)行～/.profile文件，～/.bashrc文件就會(huì)連帶運(yùn)行。但是上一節(jié)的第一種情況提到過，如果存在～/.bash_profile文件，那么有可能不會(huì)運(yùn)行～/.profile文件。解決這個(gè)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(huì)執(zhí)行，用戶的設(shè)置可以放心地都寫入這個(gè)文件了。

Bash的設(shè)置之所以如此繁瑣，是由于歷史原因造成的。早期的時(shí)候，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度很慢，載入配置文件需要很長時(shí)間，Bash的作者只好把配置文件分成了幾個(gè)部分，階段性載入。系統(tǒng)的通用設(shè)置放在 /etc/profile，用戶個(gè)人的、需要被所有子進(jìn)程繼承的設(shè)置放在.profile，不需要被繼承的設(shè)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，然后在.bash_profile里面調(diào)用.bashrc。而且，不管是ssh登錄，還是在圖形界面里啟動(dòng)shell窗口，都是如此。