沧海桑田：Linux 系统启动的演进模型与发展变化

Linux 系统启动过程在不断演进和变化，从最初的 SysV init，到如今的 Systemd 初始化进程，Linux 早已发生了翻天覆地的变化。旧时的 SysV init 启动方式已逐渐退出历史舞台，Upstart 也曾大行其道，作为后起之秀的 Systemd 发展迅速，并在 2020 年成为 Linux 启动的主流 init。

但是，经典之所以经典，是因为它的功能虽然被取代，但是包含的思想却永远不会过时，后续的启动方案，都会有它的影子。因此，我们先从 SysV init 入手，讲解最经典的 Linux 启动模型，在此基础上，讲述 Systemd 带来的革新和变化。

0x10 Linux 启动过程

SysV init，即 System V 风格的 init 程序。什么是 System V 呢？System V，曾经也被称为 AT&T System V，是 Unix 操作系统众多版本中的一支。 什么是 init 呢？启动一个操作系统，通常从 BIOS（固化在主板上的程序）开始，进入 bootloader，由 bootloader 载入内核，内核进行初始化操作。内核初始化的最后一步就是启动 pid = 1 的 init 进程。因此，init 是系统启动的第一个进行，这一点可以使用 ps -aux/ef 命令得到证实。

# ps -aux
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root          1  0.0  0.2 160216  5920 ?        Ss   5月11   0:07 /sbin/init splash
root          2  0.0  0.0      0     0 ?        S    5月11   0:00 [kthreadd]

图1 SysV 经典 Linux 启动流程

0x11 引导内核

计算机打开电源，BIOS 开机自检，根据 BIOS 的开机启动顺序，启动引导盘，通常是我们的硬盘。硬盘上的操作系统接管硬件之后，首先进入根文件系统的 /boot 目录

root@lys-virtual-machine:/boot# ls -lh
total 107M
-rw-r--r-- 1 root root 231K 1月  16 02:10 config-5.3.0-28-generic
-rw-r--r-- 1 root root 231K 3月  31 10:40 config-5.3.0-46-generic
drwxr-xr-x 5 root root 4.0K 4月  16 09:13 grub
-rw-r--r-- 1 root root  40M 4月  16 09:11 initrd.img-5.3.0-28-generic
-rw-r--r-- 1 root root  40M 4月  16 09:13 initrd.img-5.3.0-46-generic
-rw-r--r-- 1 root root 179K 1月  28  2016 memtest86+.bin
-rw-r--r-- 1 root root 181K 1月  28  2016 memtest86+.elf
-rw-r--r-- 1 root root 181K 1月  28  2016 memtest86+_multiboot.bin
-rw------- 1 root root 4.3M 1月  16 02:10 System.map-5.3.0-28-generic
-rw------- 1 root root 4.3M 3月  31 10:40 System.map-5.3.0-46-generic
-rw-r--r-- 1 root root 8.8M 2月   4 02:37 vmlinuz-5.3.0-28-generic
-rw------- 1 root root 8.8M 3月  31 10:43 vmlinuz-5.3.0-46-generic

启动设备上面安装的 grub 开始引导 Linux，grub 会引导加载初始文件系统，如 initramfs / initrd.img。initrd 是一个内存中的磁盘结构（ramdisk），其中包含必要的工具和脚本，用于在将控制权交给根文件系统上的 init 应用程序之前挂载所需的文件系统。 这样可以完成对硬盘驱动、文件系统的初始化。

0x12 启动初始化进程

内核初始化完成之后，启动的第一个进程是 /sbin/init，早期的 Linux 中，该文件就是一个可执行程序，即我们所说的 SysV init。

图 2 Ubuntu 10.10 /sbin/int - SysV init程序

而后来，随着 Linux 的发展，该文件是一个链接文件，指向真正的初始化进程 init。不同时代，init 指向的进程有所不同，如今，init 指向 /lib/systemd/systemd

图 3 Ubuntu 18.0.4 /sbin/int - 链接程序

/sbin/init 最主要的功能就是准备软件执行的环境，包括系统的主机名、网络设定、语言、文件系统格式及其他服务的启动等。对于经典模型 SysV init 程序首先是需要读取配置文件 /etc/inittab，设置运行级别，启动相应的开机程序。

运行级别说明

许多程序需要开机启动，Windows 中称之为 Service（服务），在 Linux 中叫做 daemon（守护进程）。init 进程一个主要的任务就是运行开机启动程序。Linux 会在不同场合启动不同的开机启动程序，这就诞生了运行级别的概念，即 run level。不同的运行级别对应不同的启动程序，不同的运行级别在不同的 Linux 发行版定义有所差距，在此指出一些通用的说法。

• 0：系统停机状态，系统默认运行级别不能设为0，否则不能正常启动
• 1：单用户工作状态，root权限，用于系统维护，禁止远程登陆
• 2：多用户状态(没有NFS)
• 3：完全的多用户状态(有NFS)，登陆后进入控制台命令行模式
• 4：系统未使用，保留
• 5：X11控制台，登陆后进入图形GUI模式
• 6：系统正常关闭并重启，默认运行级别不能设为6，否则不能正常启动

/etc/inittab 文件描述了系统各种预订的运行级别。通常会有 8 种运行模式，即运行模式 0 到 6 和 S 或者 s，rcS 单用户模式启动脚本。每个运行级别都有一个文件目录对应 /etc/rcN.d，该文件目录下有若干启动程序

图 4 运行级别目录

rc 是 run command 的缩写，即运行命令；d 是 directory 的缩写，即目录；不同运行级的目录包含了需要启动的命令，K 是 Kill，即杀死该进程；S 是 Start，即要启动的程序。由于不同运行级别可能会启动一些相同的程序，为了避免资源浪费，rcN.d 目录下的启动程序使用链接的方式，链接到 /etc/initd/ 目录下的程序。也就是说，/etc/initd/ 才是存放开启启动程序的真实路径。

图 5 开机启动程序链接文件

0x13 建立终端

rc 执行完毕后，返回 init。这时基本系统环境已经设置好了，守护进程也已经启动了。接下来是 init 进程会根据 inittab 里的最后几行语句打开 6 个对应的终端

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序，mingetty程序能打开终端、设置模式。

同时它会显示一个文本登录界面，这个界面就是我们经常看到的登录界面，在这个登录界面中会提示用户输入用户名，而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。

0x14 用户登录

用户登录的方式有以下三种

• 命令行登录
• SSH 登录
• 图形界面登录

命令行登录：init 进程调用 getty 程序，让用户输入用户名和密码。输入完成之后，调用 login 程序，如果账号和密码正确，就从 /etc/passwd 读取该用户对应的 shell，启动这个 shell。

SSH 登录：远程调用系统 sshd 守护进程，使用 ssh 服务进行登录

图形界面登录：init 调用显示管理器，GNOME 桌面对应的图形管理器是 GDM，如果账号和密码正确，就读取 /etc/gdm3/Xsession，启动用户会话。

0x15 进入 login shell

shell，就是用户最终可以与操作系统进行交互的终端。登录后打开的 shell，即 login shell。shell 有很多种，Debian 默认的 shell 是 Bash，Ubuntu 属于 Debian 系，自然也不例外。用户登录后有一个重要的操作，就是读取 /etc/profile，这是一个重要的文件，主要是系统的环境变量设置。

Linux是一个多用户的操作系统。每个用户登录系统后，都会有一个专用的运行环境。/etc/profile 另外一个作用就是，可以存放用户自己的开机启动程序，一些嵌入式设备的后门可能也会存放在此文件中，注意甄别。

0x20 变化

上一章主要说明了 Linux 的传统启动过程，其中也穿插讲解了 init 新的模式。传统的 SysV init 方案，具备简洁清晰的特点，但是，高度依赖 shell 的特性，导致启动过程较慢。

在 Linux 主要应用于服务器和 PC 机的时代，这些都不是问题，因为服务器较为稳定，也不需要经常重启服务器或者某些进程。但是后来，随着嵌入式设备的发展，Linux 更多的用在单板、移动终端设备上，可能会经常性重启，那么 SysV init 带来的启动速度慢成为了一个瓶颈。

为了更加快速的启动系统，Linux 研究人员开始改进启动方式，先后出现了 Upstart 和 Systemd 这两个主要的新一代 init 系统。

0x21 SysV init 读取 /etc/inittab 文件，根据里面内容进行初始化

/etc/inittab 文件内容

id:5:initdefault:
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
 
# Boot-time system configuration/initialization script.
# This is run first except when booting in emergency (-b) mode.
#首次执行的脚本，si 是系统初始化的进程
si::sysinit:/etc/init.d/rcS
 
# What to do in single-user mode.
~~:S:wait:/sbin/sulogin
 
 
# /etc/init.d executes the S and K scripts upon change
# of runlevel.
#
# Runlevel 0 is halt.
# Runlevel 1 is single-user.
# Runlevels 2-5 are multi-user.
# Runlevel 6 is reboot.
#每个运行级别对应执行的脚本
l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 表示以5为参数运行 /etc/rc.d/rc，/etc/rc.d/rc是一个 Shell 脚本，它接受 5 作为参数，去执行 /etc/rc.d/rc5.d/ 目录下的所有的rc启动脚本，/etc/rc.d/rc5.d/ 目录中的这些启动脚本实际上都是一些连接文件，而不是真正的 rc 启动脚本，真正的 rc 启动脚本实际上都是放在 /etc/rc.d/init.d/ 目录下。

0x22 Upstart 读取 /etc/init/rc-sysinit.conf 文件，进行初始化

对于 Upstart 的 init，初始化的时候会读取 rc-sysinit.conf 并执行相关配置和脚本，其主要作用是设置系统默认runlevel（运行级别）

图 6 Ubuntu 10.10 初始化进程的配置文件

由代码/etc/init.d/rc $RUNLEVEL 可看出 /etc/init.d/rc 接受参数 $RUNLEVE L来调用 /etc/rc\${runlevel}.d/ 下的脚本

0x23 Systemd 从 /etc/systemd/system/ 读取配置文件

/etc/systemd/system/ 包含了许多开机启动配置文件，其中，default.target.wants 是默认的配置文件，如下图所示

图 7 Systemd 默认配置文件

Systemd 初始化进程较为复杂，不再是传统的运行级别，而是提出了 Target 的概念。传统 init 中的 RumLevel 是互斥的，即一种运行级别不可以同时出现，一个用户不能同时启动多个运行级别；而多个 Target 可以同时启动。借助于命令手册，我们可以看到更加直观的说明

man runlevel

可以看到，不同的 Runlevel 对应不同的 targets

图 8 Systemd 中的 Target 与传统运行级别的对应关系

虽然新版本 Ubuntu 使用了 Systemd 作为启动方式，但 Ubuntu 仍然保留了大部分 system V init 的外部文件结构 ，如 runlevels 和 /etc/rc?.d 目录, 仅是为了兼容性。

启动方式的变化，又带来了什么样的优缺点呢？

0x30 对比分析

SysV init 的优点

1. 概念简单。Service 开发人员只需要编写启动和停止脚本，概念非常清楚；将 service 添加/删除到某个 runlevel 时，只需要执行一些创建/删除软连接文件的基本操作；这些都不需要学习额外的知识或特殊的定义语法(UpStart 和 Systemd 都需要用户学习新的定义系统初始化行为的语言)。
2. 确定的执行顺序：脚本严格按照启动数字的大小顺序执行，一个执行完毕再执行下一个，这非常有益于错误排查。UpStart 和 Systemd 支持并发启动，导致没有人可以确定地了解具体的启动顺序，排错不易。

SysV init 运行时是同步阻塞的。一个脚本运行的时候，后续脚本必须等待。这意味着所有的初始化步骤都是串行执行的，而实际上很多服务彼此并不相关，完全可以并行启动，从而减小系统的启动时间。

当 Linux 内核进入 2.6 时代时，内核功能有了很多新的更新。新特性使得 Linux 不仅是一款优秀的服务器操作系统，也可以被用于桌面系统，甚至嵌入式设备。桌面系统或便携式设备的一个特点是经常重启，而且要频繁地使用硬件热插拔技术。

SysV init 弊端

1. SysV init 同步阻塞，导致开机速度慢
2. SysV init 根据不同的运行级别加载不同的启动脚本，但是当一个启动设备（如打印机）没有连接到系统时，init 程序仍然会启动相应的服务（打印机服务）
3. 新的硬件发现，不能及时启动服务

Upstart 优点

UpStart 解决了之前提到的 SysV init 的缺点。采用事件驱动模型

1. 更快地启动系统
2. 当新硬件被发现时动态启动服务
3. 硬件被拔除时动态停止服务

图 9 UpStart 启动流程

事件驱动，即事件在 Upstart 中以通知消息的形式具体存在。一旦某个事件发生了，Upstart 就向整个系统发送一个消息。没有任何手段阻止事件消息被 upstart 的其它部分知晓，也就是说，事件一旦发生，整个 Upstart 系统中所有工作和其它的事件都会得到通知。

Systemd 特点

Systemd 提供了比 UpStart 更激进的并行启动能力，采用了 socket / D-Bus activation 等技术启动服务。一个显而易见的结果就是：更快的启动速度。但是缺点也显而易见，体系庞大，结构臃肿复杂。

图 10 Systemd 架构

如果说 UpStart 对 SysV init 的改进如下

图 11 UpStart 改进部分
UpStart 采用事件驱动机制，不需要的服务可以暂时不启动，当需要的时候才通过事件触发其启动；不相干的服务可以并行启动

那么 Systemd 对 SysV init 的改进更为激进

图 12 Systemd 改进部分
Systemd 能够更进一步提高并发性，即便对于那些 UpStart 认为存在相互依赖而必须串行的服务，比如 Avahi 和 D-Bus 也可以并发启动。如上图所示，总的启动时间进一步降低。但是 Systemd 原理和启动过程更为复杂，耦合度高。

0x40 总结

Linux 历经多年的发展，日臻完善。内核的代码量不断增加，启动流程也由最初的脚本式顺序执行，变为事件驱动且可以多个脚本并行执行，大大提高系统启动的速度。本文主要讲述经典的 Linux 系统启动流程，附加了近些年来的变化，掌握这些流程可以加深对 Linux 操作系统的理解，也能帮助我们构建一个更加完整的有关 Linux 内核的知识体系。

---

参考文献

[1] Ask Ubuntu：Where is the inittab file
[2] ArchLinux：SysVinit（简体中文）
[3] 菜鸟教程：Linux 系统启动过程
[4] 阮一峰：Systemd 入门教程
[5] 阮一峰：Linux 的启动流程
[6] 知乎：Linux 启动过程分析
[7] oschina：浅析 Linux 初始化 init 系统：sysvinit
[8] 简书：linux学习之系统启动过程
[9] CSDN：Linux 启动过程分析 （SysV init启动模式）
[10] IBM：浅析 Linux 初始化 init 系统，第 1 部分: sysvinit
[11] IBM：浅析Linux 初始化 init 系统,第 2 部分: UpStart
[12] IBM：浅析 Linux 初始化 init 系统，第 3 部分: Systemd