探索Linux系統的啟動過程

探索Linux系統的啟動過程

閱讀目錄

• 引言
• Linux啟動過程概述
• Grub載入Linux核心和initramfs
• 探索initramfs檔案的方法
• 基於systemd的init系統
• 進入圖形介面

這篇文章有點長，我花了大約兩個星期的時間才完成，雖然不是寫得巨細無遺，但是我認為還是很有價值的，求推薦。不管你是不是 Linux 愛好者，也不管你是否能耐心讀完，請果斷 mark 之，你值得擁有。

引言

　　這一篇可能是我這系列隨筆除總結之外的最後一篇，也可能不是。為什麼這麼說呢？因為我覺得在 Linux 應用環境方面再寫下去也可能不會有什麼新意了，至少以我的水平寫不出什麼新意了。我的這一個系列，基本上不涉及到編程，而是真真正正地將 Linux 案頭系統當成日常使用的工具，即使在我的這個系列中有探討 C 語言或者 Bash 語言的部分，我也是展示的相關的開發工具，比如 binutils 工具包和 autotools 工具鏈。我曾經說過，折騰 Linux 就是折騰 Linux 系統下的軟體，Linux 世界軟體之多，可寫的應該還有不少，但是我覺得已經沒有辦法寫得很好了。比如有一些工作我還沒有找到適當的工具，像 JavaScript 和 CSS 開發，對於部落格園中的廣大前端攻城獅來說，肯定是各有神通，但是我確實不知道用什麼工具可以做到即順手又高效率，我只會簡單地用用 Firefox 提供的開發人員工具。還有 3D 開發、遊戲編程、移動開發等等，雖然可以寫的領域比較廣闊，但是畢竟我不是做這些的，沒什麼經驗，不能說光寫某某軟體試用體驗吧。再說，程式員終歸還是程式員，以後寫部落格應該還是介紹編程經驗比較好。

　　之所以想到寫這些東西，那是因為我確實想讓大家也和我一樣，把 Linux 案頭系統打造成真真正正日常使用的工具，而不是安裝之後試用幾把再刪掉。我是真的在日常生活和工作中都使用 Linux，比如在 Linux 下編程、寫部落格、寫論文和做幻燈。當然，對於 LibreOffice 這樣的軟體使用起來都不會有什麼困難，所以在我的部落格中就基本沒有提到，就像 Windows 下的程式員不會去寫 MS Office 的使用指南一樣。如果有人不能堅持使用 Linux，那一定是 Linux 中的某些困難打敗了他。剛使用 Linux 時確實會碰到很多困難，比如介面不夠美觀啊、字型不夠順眼啊、IME太難用啊，還有就是想做某個工作找不到工具、想改一個屬性找不到入口、系統崩潰了無法恢複等等，甚至是剛安裝一個軟體包或者下載一個檔案，卻不知道放到檔案系統的什麼地方了。所以，我的這一個系列就是在向大家展示我的方法論，用什麼軟體不重要，怎麼用好也不重要，而是碰到問題了，用什麼思路去找答案，到哪裡去找答案。經過這二十幾篇的展示，我的方法論也基本上講完了。所以我決定，寫完這一篇探索 Linux 系統的啟動過程之後，我將開始另外一個系列的工作。

　　關於 Linux 系統的啟動過程也是幾經變革。首先是作業系統從磁碟載入的過程發生了變化，很老舊的作業系統需要自己寫開機磁區，現在的作業系統早就將這個過程交給了專門的啟動工具。最常用的作業系統載入程式是 Grub，這個名字大家肯定早就如雷灌耳了，而且 Grub 也已經從第1版發展到了第2版，我們稱之為 Grub2。 Grub2 和 Grub1 有很大的差別，網路上有很多講 Linux 的文章動不動就拿 Grub1 說事兒，比如讓大家修改 menu.lst 檔案這樣的，都是很過時的內容了。關於 Grub2 的詳細資料可以閱讀文檔info grub或者info grub2。Grub 的優點是支援多作業系統的啟動，Windows、Linux、BSD都不在話下，但是它們的啟動協議是不一樣的，啟動 Windows 靠的是 chainloader，啟動 Linux 直接使用 linux 命令，而 BSD 系統好像是使用的 multiboot，特別是 Grub 的 multiboot 規範對那些很想自己寫作業系統的程式員很有用，因為再也不用從開機磁區的代碼開始寫了，可以直接進入保護模式用 C 語言寫作業系統。Linux 系統在啟動的時候還有 initrd 或 initramfs 機制，這個也需要 Linux 使用者特別注意。initrd 或 initramfs 也經曆過一次技術革新，最開始採用的是 RamDisk 技術，目前採用的 tmpfs 技術。最後，核心載入入記憶體後，會將系統初始化的控制權交給 init 程式，而 init 程式也不是一成不變的，最開始使用的是 SysVinit，後來又改成 Upstart，現在最流行的又變成了 systemd。現在仍然有很多書和網文講的還是 SysVinit 時代的做法，當然這些文章只能以 RedHat EL 5 以及之前的發行版作為樣本，而對於最新的發行版，這些文章中講的方法又會給新入門的使用者造成困難。

　　探索 Linux 系統的啟動過程是每一個 Linux 使用者進步到一定程度後必然要去做的一件事。有的人可能只是好奇，也有的人可能確實需要從啟動過程中去解決某一個特定的問題。這種探索我進行過多次，也早就想寫一寫，但是總是寫不好。這一次是藉著 systemd 普及的東風，讓這個探索過程成為我這一系列的壓軸之作。為什麼說是藉著 systemd 普及的東風呢？因為聽說本月即將發布的 Ubuntu 15.04 版本將會從 upstart 更換為 systemd，目前正在緊張地測試中。當然，一下子遷移過來對開發人員來講還是有點難度的，但是只要確定目標，即使 Ubuntu 15.04 不使用 systemd，到 15.10 也肯定是它了。因此，對於我這個喜歡折騰多個 Linux 發行版的人來說，就不用多線作戰了，只需要學好 systemd 即可。

Linux啟動過程概述

　　這裡先簡單列一下 Linux 作業系統啟動的全過程：

1. 按下電腦的電源鍵後，電腦通電，BIOS啟動；
2. BIOS讀取硬碟的MBR，運行開機磁區中的代碼，舊系統往往需要自己寫開機磁區，而新系統基本上由專用的啟動軟體接管了，在 Linux 世界中，目前都是用的 Grub2。由於開機磁區空間太小，放不下太複雜的代碼邏輯，所以 Grub2 也使用了多階段啟動的策略；
3. Grub2 負責將作業系統核心載入到記憶體，如果有必要，也會把 initramfs 檔案載入到記憶體，然後將控制權交給核心；
4. 核心進行初始化，核心的初始化過程結束後，就會把控制權交給/init程式，從此進入使用者空間；
5. 因為核心先是將 initramfs 檔案掛在為根檔案系統，所以剛開始啟動並執行/init程式其實是 initramfs 檔案中的，所以該檔案需要的重要的初始化指令碼、核心模組、設定檔等，都位於 initramfs 檔案中，這也是為什麼很多時候我們修改了某些設定檔後，需要先更新 initramfs 檔案再重啟作業系統才會生效；
6. initramfs 檔案中的/init程式負責掛載硬碟上的檔案系統，然後再把根檔案系統切換到硬碟上的根分區，再運行/sbin/init程式，這時所有程式、設定檔、指令碼都是使用的硬碟上的了，當然，網路檔案系統也是同理。可以看出 init 程式的運行也是一個分階段的過程；
7. /sbin/init程式負責系統的初始化、各種服務的運行、使用者的登陸等等；
8. 如果需要運行圖形介面，則/sbin/init程式會運行 Display Manager，在 Fedora 中是 gdm，在 Ubuntu 中是 lightdm。然後 Display Manager 負責啟動整個圖形介面。

Grub載入Linux核心和initramfs

　　研究 Linux 啟動過程的第一站就是要研究 Grub。大部分時候我們不用考慮 Grub 的安裝，因為安裝 Linux 案頭系統的時候已經幫我們自動安裝好了，我們要做的，最多就是改改 Grub 的設定檔。只有在一種情況下需要手動安裝 Grub，那就是在系統崩潰後急救的時候，當然，需要先運行一個光碟片版或 USB 磁碟機版的 Linux 系統，然後運行grub-install命令，這個命令需要指定將 Grub 安裝到那個硬碟的 MBR，具體操作看文檔即可。

　　Grub2 和 Grub 相比，有了很多改進，改進到 Grub2 都相當於一個小型的作業系統了，比如 Grub2 能識別各種格式的硬碟分區及檔案系統，能識別各種格式的映像，甚至還能動態載入模組。其中最重要的改變是設定檔由 Grub1 時代的/boot/menu.lst檔案變成 Grub2 時代的/boot/grub/grub.cfg檔案了（注意，有的系統中是/boot/grub2/grub.cfg，比如 Fedora），設定檔的文法也變複雜了很多。雖然 Grub2 設定檔的文法比較複雜，但是我們一般不需要直接修改該檔案，而是修改/etc/default/grub檔案後，再使用update-grub命令自動組建組態檔案。當然，要完成一些簡單任務時對/boot/grub/grub.cfg檔案進行直接修改也是可以的，只是一旦系統更新，則對該檔案的修改有可能被覆蓋。

　　Grub 最重要的任務就是載入 Linux 核心以及 initramfs 檔案了，這幾個命令是非常簡單易懂的，在/boot/grub/grub.cfg檔案中也非常容易找到，如：

　　主要是展示 Grub 載入 Linux 核心並且給 Linux 核心傳遞參數的過程，同時展示載入 initramfs 檔案的過程。

探索initramfs檔案的方法

　　Grub 將 Linux 核心和 initramfs 檔案載入記憶體後，就把控制權交給核心，核心會將記憶體中的 initramfs 檔案掛載為根檔案系統，當核心初始化完成後需要進入使用者空間時，會運行/init，其實這個/init是在 initramfs 檔案中的，所以如果想知道系統啟動後都幹了些什麼，研究一下 initramfs 檔案中的內容是有必要的。

　　在/boot目錄下，一般都有一個/boot/initrd.img檔案或一個/boot/initramfs.img檔案，但是要看裡面的內容還得有點技巧。先得學習一下曆史。第一個問題就是為什麼要有 initrd 或者 initramfs，答案是這樣的，為了減小 Linux 核心的大小，有一些驅動並沒有編譯進核心，而是以模組的形式存在於檔案系統中，但是有些檔案系統呢又需要��核載入了相應的驅動模組才能讀取，這樣就形成了一個是先有雞還是先有蛋這樣的一個矛盾的問題，為瞭解決這個問題，就是把這些驅動模組放到 initrd 或 initramfs 檔案中，由啟動器將其載入記憶體，然後核心載入記憶體中的驅動模組，再驅動其它的檔案系統，然後進行更多的工作。同時，對於很多嵌入式作業系統而言，可能載入記憶體的 initrd 或 initramfs 就是最終的檔案系統。第二個問題就是 initrd 檔案和 initramfs 檔案是什麼格式的，怎麼建立和開啟。這個問題有點複雜，且看我下面細細道來。

　　其實在 Linux 的曆史中，記憶體中的檔案系統使用的技術還不一樣。在很老的系統中，是將某一塊記憶體類比成磁碟，稱之為 RamDisk，這個技術效率不高，為什麼不高呢，那是因為將記憶體類比成磁碟後，依然需要像對待磁碟一樣對待它，需要給它建立特定格式的檔案系統，讀取或寫入檔案的時候還是要用到核心的緩衝系統，這樣同一份資料就在記憶體中存在了兩份，所以很浪費。老系統中使用的 initrd 檔案其實就相當於是一個磁碟的鏡像，所以要讀取或寫入它的內容，就需要將它掛在到系統中，然後進行讀寫。

　　現在我們用的都是新系統，initrd 已經被 initramfs 取代了，雖然很多系統中仍然用initrd.img作為檔案名稱，其實使用的是 initramfs 技術。initramfs 技術不使用 RamDisk，而是使用 tempfs，也就是複用了核心中的緩衝系統，所以 tempfs 中的內容在記憶體中只存在一份，那就是在核心的緩衝中，不僅節約了記憶體開銷，也提高了效率。那麼 initramfs 檔案是什麼格式呢？它就是經過壓縮的 CPIO 格式，只要會cpio，開啟它就不是問題。

　　其實也不是完全沒有問題，我在研究 Fedora 21 的 initramfs.img 檔案時就碰到了困難。如果大家使用cat initramfs.img | cpio -imd將該 CPIO 檔案解開，會發現只有少許幾個檔案，檔案數量和檔案大小都遠遠低於我們的預期，如：

　　問題究竟出在哪裡呢？這是因為 Fedora 21 採用了最新的 Early User Space 技術。這個問題在網上還暫時搜不到答案，我也是看到解壓出的檔案中有一個early_cpio，然後以 early 為關鍵詞去看核心的代碼，才知道的。但是關於該技術的具體資訊，我也沒搞懂。不過這不是重點，重點是如何正確地將該檔案解包。首先，我找到了 Fedora 21 系統中用來構建 initramfs 檔案的工具是 dracut，採用的方法論請看我該系列的第一篇，如：

　　然後，我發現 dracut 軟體包中提供的lsinitrd工具可以查看 initramfs 中的內容，而且該工具是一個指令碼。所以我就把它開啟看了一下，如：

　　在這個指令碼中，我發現它需要用到一個skipcpio程式，跳過 initramfs 檔案的頭部後，再將剩下的部分當成壓縮的 CPIO 檔案進行解包。看來，會讀指令碼程式有時也很重要，所以我的《Bash指令碼程式設計語言中的美學與哲學》這一篇沒有白寫。最後，解包 initramfs 檔案的命令是這樣的：

sudo /usr/lib/dracut/skipcpio initramfs-$(uname -r).img | zcat | cpio -imd

　　如：

　　接下來，我們就可以愉快地研究/init程式都幹些什麼了。

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