探索Linux系统的启动过程

这篇文章有点长，我花了大约两个星期的时间才完成，虽然不是写得巨细无遗，但是我认为还是很有价值的，求推荐。不管你是不是 Linux 爱好者，也不管你是否能耐心读完，请果断 mark 之，你值得拥有。

引言

这一篇可能是我这系列随笔除总结之外的最后一篇，也可能不是。为什么这么说呢？因为我觉得在 Linux 应用环境方面再写下去也可能不会有什么新意了，至少以我的水平写不出什么新意了。我的这一个系列，基本上不涉及到编程，而是真真正正地将 Linux 桌面系统当成日常使用的工具，即使在我的这个系列中有探讨 C 语言或者 Bash 语言的部分，我也是展示的相关的开发工具，比如 binutils 工具包和 autotools 工具链。我曾经说过，折腾 Linux 就是折腾 Linux 系统下的软件，Linux 世界软件之多，可写的应该还有不少，但是我觉得已经没有办法写得很好了。比如有一些工作我还没有找到适当的工具，像 JavaScript 和 CSS 开发，对于博客园中的广大前端攻城狮来说，肯定是各有神通，但是我确实不知道用什么工具可以做到即顺手又高效率，我只会简单地用用 Firefox 提供的开发者工具。还有 3D 开发、游戏编程、移动开发等等，虽然可以写的领域比较广阔，但是毕竟我不是做这些的，没什么经验，不能说光写某某软件试用体验吧。再说，程序员终归还是程序员，以后写博客应该还是介绍编程经验比较好。

之所以想到写这些东西，那是因为我确实想让大家也和我一样，把 Linux 桌面系统打造成真真正正日常使用的工具，而不是安装之后试用几把再删掉。我是真的在日常生活和工作中都使用 Linux，比如在 Linux 下编程、写博客、写论文和做幻灯。当然，对于 LibreOffice 这样的软件使用起来都不会有什么困难，所以在我的博客中就基本没有提到，就像 Windows 下的程序员不会去写 MS Office 的使用指南一样。如果有人不能坚持使用 Linux，那一定是 Linux 中的某些困难打败了他。刚使用 Linux 时确实会碰到很多困难，比如界面不够美观啊、字体不够顺眼啊、输入法太难用啊，还有就是想做某个工作找不到工具、想改一个属性找不到入口、系统崩溃了无法恢复等等，甚至是刚安装一个软件包或者下载一个文件，却不知道放到文件系统的什么地方了。所以，我的这一个系列就是在向大家展示我的方法论，用什么软件不重要，怎么用好也不重要，而是碰到问题了，用什么思路去找答案，到哪里去找答案。经过这二十几篇的展示，我的方法论也基本上讲完了。所以我决定，写完这一篇探索 Linux 系统的启动过程之后，我将开始另外一个系列的工作。

关于 Linux 系统的启动过程也是几经变革。首先是操作系统从磁盘载入的过程发生了变化，很老旧的操作系统需要自己写启动扇区，现在的操作系统早就将这个过程交给了专门的启动工具。最常用的操作系统加载程序是 Grub，这个名字大家肯定早就如雷灌耳了，而且 Grub 也已经从第1版发展到了第2版，我们称之为 Grub2。 Grub2 和 Grub1 有很大的差别，网络上有很多讲 Linux 的文章动不动就拿 Grub1 说事儿，比如让大家修改 menu.lst 文件这样的，都是很过时的内容了。关于 Grub2 的详细资料可以阅读文档info grub或者info grub2。Grub 的优点是支持多操作系统的启动，Windows、Linux、BSD都不在话下，但是它们的启动协议是不一样的，启动 Windows 靠的是 chainloader，启动 Linux 直接使用 linux 命令，而 BSD 系统好像是使用的 multiboot，特别是 Grub 的 multiboot 规范对那些很想自己写操作系统的程序员很有用，因为再也不用从启动扇区的代码开始写了，可以直接进入保护模式用 C 语言写操作系统。Linux 系统在启动的时候还有 initrd 或 initramfs 机制，这个也需要 Linux 用户特别注意。initrd 或 initramfs 也经历过一次技术革新，最开始采用的是 RamDisk 技术，目前采用的 tmpfs 技术。最后，内核加载入内存后，会将系统初始化的控制权交给 init 程序，而 init 程序也不是一成不变的，最开始使用的是 SysVinit，后来又改成 Upstart，现在最流行的又变成了 systemd。现在仍然有很多书和网文讲的还是 SysVinit 时代的做法，当然这些文章只能以 RedHat EL 5 以及之前的发行版作为示例，而对于最新的发行版，这些文章中讲的方法又会给新入门的用户造成困难。

探索 Linux 系统的启动过程是每一个 Linux 用户进步到一定程度后必然要去做的一件事。有的人可能只是好奇，也有的人可能确实需要从启动过程中去解决某一个特定的问题。这种探索我进行过多次，也早就想写一写，但是总是写不好。这一次是借着 systemd 普及的东风，让这个探索过程成为我这一系列的压轴之作。为什么说是借着 systemd 普及的东风呢？因为听说本月即将发布的 Ubuntu 15.04 版本将会从 upstart 更换为 systemd，目前正在紧张地测试中。当然，一下子迁移过来对开发人员来讲还是有点难度的，但是只要确定目标，即使 Ubuntu 15.04 不使用 systemd，到 15.10 也肯定是它了。因此，对于我这个喜欢折腾多个 Linux 发行版的人来说，就不用多线作战了，只需要学好 systemd 即可。

Linux启动过程概述

这里先简单列一下 Linux 操作系统启动的全过程：

1. 按下电脑的电源键后，电脑通电，BIOS启动；
2. BIOS读取硬盘的MBR，运行启动扇区中的代码，旧系统往往需要自己写启动扇区，而新系统基本上由专用的启动软件接管了，在 Linux 世界中，目前都是用的 Grub2。由于启动扇区空间太小，放不下太复杂的代码逻辑，所以 Grub2 也使用了多阶段启动的策略；
3. Grub2 负责将操作系统内核加载到内存，如果有必要，也会把 initramfs 文件加载到内存，然后将控制权交给内核；
4. 内核进行初始化，内核的初始化过程结束后，就会把控制权交给/init程序，从此进入用户空间；
5. 因为内核先是将 initramfs 文件挂在为根文件系统，所以刚开始运行的/init程序其实是 initramfs 文件中的，所以该文件需要的重要的初始化脚本、内核模块、配置文件等，都位于 initramfs 文件中，这也是为什么很多时候我们修改了某些配置文件后，需要先更新 initramfs 文件再重启操作系统才会生效；
6. initramfs 文件中的/init程序负责挂载硬盘上的文件系统，然后再把根文件系统切换到硬盘上的根分区，再运行/sbin/init程序，这时所有程序、配置文件、脚本都是使用的硬盘上的了，当然，网络文件系统也是同理。可以看出 init 程序的运行也是一个分阶段的过程；
7. /sbin/init程序负责系统的初始化、各种服务的运行、用户的登陆等等；
8. 如果需要运行图形界面，则/sbin/init程序会运行 Display Manager，在 Fedora 中是 gdm，在 Ubuntu 中是 lightdm。然后 Display Manager 负责启动整个图形界面。

Grub加载Linux内核和initramfs

研究 Linux 启动过程的第一站就是要研究 Grub。大部分时候我们不用考虑 Grub 的安装，因为安装 Linux 桌面系统的时候已经帮我们自动安装好了，我们要做的，最多就是改改 Grub 的配置文件。只有在一种情况下需要手动安装 Grub，那就是在系统崩溃后急救的时候，当然，需要先运行一个光盘版或 U 盘版的 Linux 系统，然后运行grub-install命令，这个命令需要指定将 Grub 安装到那个硬盘的 MBR，具体操作看文档即可。

Grub2 和 Grub 相比，有了很多改进，改进到 Grub2 都相当于一个小型的操作系统了，比如 Grub2 能识别各种格式的硬盘分区及文件系统，能识别各种格式的图像，甚至还能动态加载模块。其中最重要的改变是配置文件由 Grub1 时代的/boot/menu.lst文件变成 Grub2 时代的/boot/grub/grub.cfg文件了（注意，有的系统中是/boot/grub2/grub.cfg，比如 Fedora），配置文件的语法也变复杂了很多。虽然 Grub2 配置文件的语法比较复杂，但是我们一般不需要直接修改该文件，而是修改/etc/default/grub文件后，再使用update-grub命令自动生成配置文件。当然，要完成一些简单任务时对/boot/grub/grub.cfg文件进行直接修改也是可以的，只是一旦系统更新，则对该文件的修改有可能被覆盖。

Grub 最重要的任务就是加载 Linux 内核以及 initramfs 文件了，这几个命令是非常简单易懂的，在/boot/grub/grub.cfg文件中也非常容易找到，如下图：

上图主要是展示 Grub 载入 Linux 内核并且给 Linux 内核传递参数的过程，同时展示载入 initramfs 文件的过程。

探索initramfs文件的方法

Grub 将 Linux 内核和 initramfs 文件载入内存后，就把控制权交给内核，内核会将内存中的 initramfs 文件挂载为根文件系统，当内核初始化完成后需要进入用户空间时，会运行/init，其实这个/init是在 initramfs 文件中的，所以如果想知道系统启动后都干了些什么，研究一下 initramfs 文件中的内容是有必要的。

在/boot目录下，一般都有一个/boot/initrd.img文件或一个/boot/initramfs.img文件，但是要看里面的内容还得有点技巧。先得学习一下历史。第一个问题就是为什么要有 initrd 或者 initramfs，答案是这样的，为了减小 Linux 内核的大小，有一些驱动并没有编译进内核，而是以模块的形式存在于文件系统中，但是有些文件系统呢又需要内核加载了相应的驱动模块才能读取，这样就形成了一个是先有鸡还是先有蛋这样的一个矛盾的问题，为了解决这个问题，就是把这些驱动模块放到 initrd 或 initramfs 文件中，由启动器将其载入内存，然后内核加载内存中的驱动模块，再驱动其它的文件系统，然后进行更多的工作。同时，对于很多嵌入式操作系统而言，可能载入内存的 initrd 或 initramfs 就是最终的文件系统。第二个问题就是 initrd 文件和 initramfs 文件是什么格式的，怎么创建和打开。这个问题有点复杂，且看我下面细细道来。

其实在 Linux 的历史中，内存中的文件系统使用的技术还不一样。在很老的系统中，是将某一块内存模拟成磁盘，称之为 RamDisk，这个技术效率不高，为什么不高呢，那是因为将内存模拟成磁盘后，依然需要像对待磁盘一样对待它，需要给它创建特定格式的文件系统，读取或写入文件的时候还是要用到内核的缓存系统，这样同一份数据就在内存中存在了两份，所以很浪费。老系统中使用的 initrd 文件其实就相当于是一个磁盘的镜像，所以要读取或写入它的内容，就需要将它挂在到系统中，然后进行读写。

现在我们用的都是新系统，initrd 已经被 initramfs 取代了，虽然很多系统中仍然用initrd.img作为文件名，其实使用的是 initramfs 技术。initramfs 技术不使用 RamDisk，而是使用 tempfs，也就是复用了内核中的缓存系统，所以 tempfs 中的内容在内存中只存在一份，那就是在内核的缓存中，不仅节约了内存开销，也提高了效率。那么 initramfs 文件是什么格式呢？它就是经过压缩的 CPIO 格式，只要会cpio，打开它就不是问题。

其实也不是完全没有问题，我在研究 Fedora 21 的 initramfs.img 文件时就碰到了困难。如果大家使用cat initramfs.img | cpio -imd将该 CPIO 文件解开，会发现只有少许几个文件，文件数量和文件大小都远远低于我们的预期，如下图：

问题究竟出在哪里呢？这是因为 Fedora 21 采用了最新的 Early User Space 技术。这个问题在网上还暂时搜不到答案，我也是看到解压出的文件中有一个early_cpio，然后以 early 为关键词去看内核的代码，才知道的。但是关于该技术的具体信息，我也没搞懂。不过这不是重点，重点是如何正确地将该文件解包。首先，我找到了 Fedora 21 系统中用来构建 initramfs 文件的工具是 dracut，采用的方法论请看我该系列的第一篇，如下图：

然后，我发现 dracut 软件包中提供的lsinitrd工具可以查看 initramfs 中的内容，而且该工具是一个脚本。所以我就把它打开看了一下，如下图：

在这个脚本中，我发现它需要用到一个skipcpio程序，跳过 initramfs 文件的头部后，再将剩下的部分当成压缩的 CPIO 文件进行解包。看来，会读脚本程序有时也很重要，所以我的《Bash脚本编程语言中的美学与哲学》这一篇没有白写。最后，解包 initramfs 文件的命令是这样的：

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

如下图：

接下来，我们就可以愉快地研究/init程序都干些什么了。