「深度小課堂」說一說deepin操作系統(tǒng)的啟動流程

deepin操作系統(tǒng)整個的啟動流程到底是怎么樣子的？

以前曾被同事纏問過類似的問題。遇到這種宏大而又不著邊際的問題，我的回復(fù)往往是“你還太嫩，現(xiàn)在我告訴你還是會忘掉的，等你干上個兩年，不用我說你就知道了”。我邊敲著鍵盤，邊佩服自己的聰明才智。

兩年后……

這個小伙子長大了，并且堅定地又問了同樣的問題。我一愣神，腦海中不停浮現(xiàn)出一個聲音“出來混，遲早是要還的”。

想想也罷，是時候該把壓箱底兒的貨拿出來了，畢竟自封了“半吊子系統(tǒng)工程師”的title（雖然我自封的title還有很多：半吊子客服、半吊子產(chǎn)品經(jīng)理、半吊子研發(fā)項目經(jīng)理等等），不給你們露兩手看看看來還真不行……

概覽

deepin系統(tǒng)啟動，從整體上看主要分為了 硬件上電、內(nèi)核引導(dǎo)、內(nèi)核啟動、系統(tǒng)初始化、圖形界面等幾個階段。

如果將這幾個階段分為兩個部分，那么第一部分的硬件上電、內(nèi)核引導(dǎo)、內(nèi)核啟動主要是“引導(dǎo)（boot）”，更偏向讓內(nèi)核可以啟動；而第二部分的系統(tǒng)初始化、圖形界面兩個階段主要的任務(wù)則是“初始化（initialize）”了，因為對于一個系統(tǒng)來說僅僅有內(nèi)核跑起來是不行的，還要有各種各樣的服務(wù)對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行管理，這也是平常大家說發(fā)行版跟純粹的GNU/Linux內(nèi)核不是一個概念的原因之一。

下面我從一個軟件開發(fā)者的角度說一下我對每個階段的理解以及一些調(diào)試的方法。

硬件上電

既然說了是軟件開發(fā)者的角度，這個部分對我來說基本上相當(dāng)于黑盒子了。但是大體上我們?nèi)匀恢肋@個部分主要是：

硬件上電

BIOS/UEFI

bootloader

當(dāng)你按下電源的那一刻起，電流就會“滋滋滋”的流向主板，啟動BIOS（Basic Input Output System）系統(tǒng)。

BIOS系統(tǒng)，顧名思義就是最直接跟硬件打交道的系統(tǒng)，因為有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所以輸入輸出設(shè)備的基本功能都是可以使用的，一些硬件的開關(guān)配置也可以在BIOS中進(jìn)行操作。

除此之外，BIOS還有兩個重要的功能，一個是硬件自檢；另外一個是加載引導(dǎo)。硬件自檢這個跟作為一個”半吊子系統(tǒng)工程師“沒什么關(guān)系，自不多說。加載引導(dǎo)的過程其實就是大家耳熟能詳?shù)腗BR、小蝌蚪找媽…哦不…MBR中找bootloader了。

跟BIOS對應(yīng)的UEFI，要說它們之間的區(qū)別，除了加載引導(dǎo)的方式不大一樣以外。對我來說可能就是界面能夠用鼠標(biāo)點點點了吧，嗯……哈哈哈。

這里講個段子，之前15.7搞啟動時間優(yōu)化的時候，測試的同學(xué)測試系統(tǒng)啟動時間的優(yōu)化情況，老是說效果不理想，我去看看吧，原來是他們測試系統(tǒng)啟動是從硬件啟動算起的，我說你們直接從內(nèi)核引導(dǎo)開始計算，他還問我為什么。優(yōu)化時間/(BIOS時間+GRUB時間+內(nèi)核時間+圖形時間) 跟 優(yōu)化時間/(內(nèi)核時間+圖形時間)哪個大哪個?。课抑荒苷f這個測試同學(xué)的數(shù)學(xué)不大好……

內(nèi)核引導(dǎo)

BIOS在MBR中（或者UEFI在主板專有的存儲設(shè)備中）找到bootloader并加載后，bootloader就會開始加載Linux內(nèi)核并啟動了。

GRUB引導(dǎo)

deepin系統(tǒng)默認(rèn)的bootloader是GRUB（GRand Unified Bootloader）。其實我一直覺得這個名字挺惡心的，大神們果然都是重口味……GRUB并不需要按照什么規(guī)則去硬盤中找系統(tǒng)，而是根據(jù)/boot/grub/grub.cfg中的啟動項加載內(nèi)核、啟動系統(tǒng)，而這個配置文件則是在系統(tǒng)安裝或者手動執(zhí)行update-grub這個命令的時候生成和更新。

update-grub這個命令其實是對grub-mkconfig的一個包裝，在非Debian系的發(fā)行版上是沒有的。grub-mkconfig會執(zhí)行的動作主要是：

1.加載/etc/default/grub中的一些配置項。比如GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT配置項會控制Linux的boot param。

2.挨個執(zhí)行/etc/grub.d/目錄中的腳本，用來生成最終的grub.cfg文件。比如我們平常看到update-grub命令執(zhí)行時輸出的哪些啟動項，其實就是/etc/grub.d/03_os-prober這個腳本里面執(zhí)行os-prober這個工具產(chǎn)生的。

在GRUB界面選擇啟動項，按e編輯啟動項。除了普通的上下左右鍵移動光標(biāo)，還可以使用基本的Emacs快捷鍵：

Ctrl+N 下一行

Ctrl+P 上一行

Ctrl+B 左移一個字符

Ctrl+F 右移一個字符

Ctrl+A 移動光標(biāo)到行首

Ctrl+E 移動光標(biāo)到行尾

編輯完成后按Ctrl+X按照編輯后的結(jié)果啟動系統(tǒng)，但是編輯的結(jié)果不會保存，也就是說如果需要永久修改某個啟動項，就要修改grub.cfg文件或者會影響grub.cfg生成的/etc/default/grub以及/etc/grub.d/中的腳本文件了。

對于GRUB，我們一般需要知道的就這么多，關(guān)于GRUB其他一些用法和知識，可以參考GRUB與系統(tǒng)引導(dǎo)（https://blog.nanpuyue.com/2017/037.html）這篇文章。

UEFI直接引導(dǎo)

在UEFI模式下，除了使用GRUB來引導(dǎo)內(nèi)核以外，還可以通過UEFI直接引導(dǎo)內(nèi)核（需要內(nèi)核開啟了EFI Stub支持），具體的配置方式見Debian Wiki EFI Stub（https://wiki.debian.org/EFIStub）。需要注意的一點是在使用efibootmgr創(chuàng)建啟動項的時候，可能需要-d參數(shù)指定設(shè)備，否則可能會導(dǎo)致創(chuàng)建啟動項失敗。

內(nèi)核啟動

內(nèi)核啟動部分其實主要是想說initrd。initrd是一個小型的rootfs，這個rootfs保證了內(nèi)核啟動過程中所需要的內(nèi)核模塊和用戶態(tài)工具。同時，它還需要為下一個階段“系統(tǒng)初始化”做準(zhǔn)備，也就是為init程序準(zhǔn)備好真正的文件系統(tǒng)，并且啟動init程序。內(nèi)核使用initrd啟動的過程主要是：

1.執(zhí)行init腳本（這個不是上面說得init程序，而是生成好的initramfs中的/init這個文件。后面的步驟其實都發(fā)生在這個腳本的執(zhí)行過程中）；

2.解析內(nèi)核啟動參數(shù)，識別關(guān)鍵的如debug、boot、break等；

3.執(zhí)行/scripts/init-top/中的腳本；

4.加載內(nèi)核模塊；

5.執(zhí)行/scripts/init-premount/中的腳本；

6.執(zhí)行/scripts/$BOOT腳本中的mountroot函數(shù)，其中的$BOOT參數(shù)就是第2步中識別到的boot參數(shù)指定的，自帶的可選項有l(wèi)ocal（本地啟動，默認(rèn)）、nfs（比如PXE啟動）；

7.執(zhí)行/scripts/init-bottom/中的腳本；

8.執(zhí)行init程序。

live系統(tǒng)

上面第6步提到initramfs-tools包自帶有兩種boot類型：local和nfs，我們使用live系統(tǒng)的時候的boot類型其實live。這個boot類型主要是live-boot這個包支撐起來的。

在啟動live系統(tǒng)的時候，/scripts/live中的mountroot會調(diào)用/lib/live/boot/目錄中的腳本設(shè)置根文件系統(tǒng)，包括掛在ISO和設(shè)置overlay等。

調(diào)試

initrd啟動階段支持幾個特殊的啟動參數(shù)輔助調(diào)試：

1.debug 會開啟initrd啟動腳本中的調(diào)試模式；

2.break 可以講啟動停止在某個階段，例如break=premount就會在真正的根文件系統(tǒng)掛載前停掉啟動流程，并給你一個busybox環(huán)境；可選break的階段可以在/scripts/init腳本中看到，就是哪些使用maybe_break的行。

系統(tǒng)初始化

從這個階段開始，啟動流程就算是進(jìn)入我們真實的的系統(tǒng)中了，init程序會啟動各種服務(wù)對系統(tǒng)進(jìn)行配置，保證軟硬件環(huán)境可以正常使用。

deepin系統(tǒng)下默認(rèn)的init程序是systemd，這個龐然大物太過復(fù)雜，或許將來開個坑寫一個系列才能說好……這里只簡單說明一下跟系統(tǒng)啟動流程相關(guān)的內(nèi)容。一個是 man bootup中的一個圖：

基本涵蓋了由systemd接管系統(tǒng)以后，systemd所管理的服務(wù)之間的一個依賴和基本先后順序。

另外一個是systemd-analyze命令，通過systemd-analyze plog > bootup.svg可以更加直觀的看到systemd各個服務(wù)在啟動過程中啟動的時間和所存在的時間。

圖形界面

圖形界面階段是系統(tǒng)到達(dá)圖形環(huán)境后的過程，這個部分主要包括：

display-manager.service 啟動lightdm；

lightdm啟動lightdm-deepin-greeter；

用戶輸入密碼后進(jìn)入圖形會話；

lightdm執(zhí)行/usr/sbin/deepin-session；

/usr/sbin/deepin-session

執(zhí)行/etc/X11/Xsession.d中的腳本，并最終啟動/usr/bin/startdde；

startdde啟動桌面環(huán)境的組件，系統(tǒng)啟動完成。

結(jié)尾

哦，對了，文章開頭的故事純屬虛構(gòu)，請勿對號入座。