Linux系统启动过程

本篇笔记详细记录了Linux操作系统，从按下计算机电源到出现登录提示符的详细启动过程。不同的Linux发行版，新版本和旧版本Linux，或多或少有些区别。这里我们以Ubuntu 14.04为例，介绍Linux操作系统的启动过程。

硬件初始化和加载BIOS程序

不管电脑上是否安装了操作系统，按下电源按钮，默认都会初始化硬件，并加载BIOS程序。这和Linux关系不大，我们就不在这里详细叙述了。

读取并执行引导扇区

学过操作系统都知道，磁盘上的0磁道1扇区叫做引导扇区，我们需要在这512B空间内，编写加载操作系统内核的16位汇编程序，计算机启动时，会自动读取这个扇区的内容到内存地址0x7c00并执行。

当然，操作系统发展到今天，已经不是由引导扇区代码直接加载Linux内核了，而是由其加载Grub程序（即Bootloader，除了Grub还有Lilo等），再由Grub程序加载Linux内核。我们开机后，通常会出现一个选择界面，我们可以选择正常启动操作系统或是以恢复模式启动操作系统，实际上当前正在运行着的，和我们交互的程序就是Grub。

加载内核

加载内核的工作由Grub程序完成。在此之前，Grub会设置一系列寄存器，使计算机进入保护模式（32位）或者长模式（64位），最终Grub会从磁盘上读取内核程序并载入内存，然后将CPU交给Linux内核。

启动init进程

init是Linux启动后的第一个用户态进程。该程序的可执行文件在/sbin/init，这个init进程会读取/etc/init下的所有配置文件，并据此初始化我们计算机的服务程序等，下面是一个init配置文件的例子。

mongod.conf

# Ubuntu upstart file at /etc/init/mongod.conf

# Recommended ulimit values for mongod or mongos
# See http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings
#
limit fsize unlimited unlimited
limit cpu unlimited unlimited
limit as unlimited unlimited
limit nofile 64000 64000
limit rss unlimited unlimited
limit nproc 64000 64000

kill timeout 300 # wait 300s between SIGTERM and SIGKILL.

pre-start script
  DAEMONUSER=${DAEMONUSER:-mongodb}
  if [ ! -d /var/lib/mongodb ]; then
    mkdir -p /var/lib/mongodb && chown mongodb:mongodb /var/lib/mongodb
  fi
  if [ ! -d /var/log/mongodb ]; then
    mkdir -p /var/log/mongodb && chown mongodb:mongodb /var/log/mongodb
  fi
  touch /var/run/mongodb.pid
  chown $DAEMONUSER /var/run/mongodb.pid
end script

#start on runlevel [2345]
#stop on runlevel [06]
stop on runlevel [023456]

script
  ENABLE_MONGOD="yes"
  CONF=/etc/mongod.conf
  DAEMON=/usr/bin/mongod
  DAEMONUSER=${DAEMONUSER:-mongodb}
  DAEMONGROUP=${DAEMONGROUP:-mongodb}

  if [ -f /etc/default/mongod ]; then . /etc/default/mongod; fi

  # Handle NUMA access to CPUs (SERVER-3574)
  # This verifies the existence of numactl as well as testing that the command works
  NUMACTL_ARGS="--interleave=all"
  if which numactl >/dev/null 2>/dev/null && numactl $NUMACTL_ARGS ls / >/dev/null 2>/dev/null
  then
    NUMACTL="$(which numactl) -- $NUMACTL_ARGS"
    DAEMON_OPTS=${DAEMON_OPTS:-"--config $CONF"}
  else
    NUMACTL=""
    DAEMON_OPTS="-- "${DAEMON_OPTS:-"--config $CONF"}
  fi

  if [ "x$ENABLE_MONGOD" = "xyes" ]
  then
    exec start-stop-daemon --start \
        --chuid $DAEMONUSER:$DAEMONGROUP \
        --pidfile /var/run/mongodb.pid \
        --make-pidfile \
        --exec $NUMACTL $DAEMON $DAEMON_OPTS
  fi
end script

注意stop on runlevel [023456]，这个是我自己加上去的。因为我的电脑只是开发用的工作站，而不是服务器，我不希望开机启动mongod服务，所以注释掉了上面两行，并添加了这一行。这个conf实际上是一个shell脚本，大部分内容都好理解，但是runlevel究竟是什么呢？

runlevel

Linux系统规定有7个运行级别：

  • 0级：系统停机状态，系统默认运行级别不能为0
  • 1级：单用户工作状态
  • 2级：多用户状态，没有NFS
  • 3级：多用户状态，有NFS，登陆后进入终端命令提示符
  • 4级：未使用，保留
  • 5级：X11图形界面
  • 6级：系统正常关闭并重启，默认运行级别不能设置为6

尽管理论上如此（Redhat系列应该是上面这样的），但是实际上Debian系列系统的runlevel是这样的：

  • 0级：停机
  • 1级：单用户
  • 2级：带X11图形界面的全功能多用户工作状态
  • 3级：带X11图形界面的全功能多用户工作状态
  • 4级：带X11图形界面的全功能多用户工作状态
  • 5级：带X11图形界面的全功能多用户工作状态
  • 6级：重启

默认情况下，Debian系统的运行级别2-5没有区别。我们可以在etc下建立inittab文件修改默认的runlevel，当然通常我们不会这么做。

说白了，runlevel定义了操作系统要进入的运行状态。Debian系的操作系统默认情况下，我们正常开机就会进入runlevel的2-5级别。/etc/init下的配置文件，就会根据对应的runlevel配置，决定是否启动某个服务。

加载内核模块

这一步就是根据/etc/modules和/etc/modules.d/下的配置文件加载内核模块。

执行不同运行级别的脚本程序

/etc下，有rc0.d到rc6.d文件夹，里面存放了很多软链接，指向一些脚本文件，这里实际上也要用到runlevel，根据操作系统对应的runlevel，执行对应文件夹内的脚本程序，完成初始化。

刚才，我们观察了/etc/init/mongod.conf，里面我们为了防止mongodb开机启动，修改了其start/stop on runlevel...。但是大多数服务不是在/etc/init下插入启动脚本的，而是在rcX.d下，比如Apache2，这就稍稍造成了一点混乱，rcX.d下的服务，我们可以使用sysv-rc-conf工具进行配置，但某些程序并没有使用rcX.d，比如mongodb，此时我们就应该想到/etc/init。

sysv-rc-conf工具：

执行rc.local

执行/etc/rc.local，这个文件就是给用户用的，我们需要操作系统在开机时干什么，写入rc.local就好了。里面默认没有内容。

显示登录提示符

最后一步就是执行/bin/login，这个程序会显示一个登录提示符，我们正常登陆后，就能够使用bash shell程序，控制我们的操作系统了。

作者：Gacfox
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