Мы пройдемся по всем стадиям и узнаем, что происходит во время загрузки типичного дистрибутива Linux, немного отклонившись в сторону BSD, macOS и Android по пути. Во многих случаях это позволит понять, почему процесс загрузки Linux именно такой, какой есть.
Все начинается с загрузчика, которому во время старта машины BIOS передает управление. В старые времена, когда Linux был не так популярен, в качестве загрузчика использовался LILO (Linux Loader) — простой, очень примитивный и не позволяющий менять конфигурацию загрузки на лету. Фактически конфигурационный файл был вшит в сам загрузчик, и его приходилось переустанавливать после каждой смены настроек: обновил ядро, забыл переустановить, и твой ноутбук больше не грузится.
Сегодня загрузкой Linux практически в любом дистрибутиве занимается Grub, изначально разработанный для операционной системы GNU/Hard. Grub гораздо сложнее LILO и фактически сам является полноценной ОС. Он не просто читает конфиг загрузки (обычно это /boot/grub/grub.cfg) прямо с диска, но и позволяет исправить этот конфиг на месте. Grub имеет встроенную командную строку, работает с десятком различных файловых систем и позволяет формировать сложные цепочки загрузки.
Как только пользователь выбирает нужный пункт меню (либо по истечении тайм-аута), Grub находит связанный с этим пунктом меню образ ядра Linux на диске (обычно это файл /boot/vmlinuz), а также закрепленный за ним образ initramfs (о нем чуть позже), загружает их в память и передает управление ядру.
Этапы загрузки Linux
Чтобы увидеть меню Grub в Ubuntu, необходимо удерживать Shift
Получив управление, ядро начинает первичную инициализацию: запускается подсистема управления памятью, настраивается обработчик прерываний, инициализируются необходимые для дальнейшей работы ядра структуры данных. Когда эта работа будет закончена, ядро распаковывает архив initramfs (обычно он имеет имя вида /boot/initramfs-linux.img и представляет собой архив cpio, сжатый с помощью gzip) в файловую систему в оперативной памяти (tmpfs), делает ее корневой файловой системой и запускает скрипт /init (в различных дистрибутивах имя может отличаться).
Initramfs включает в себя базовый набор компонентов Linux-дистрибутива: стандартные системные каталоги /bin, /lib, /etc и так далее, простейший командный интерпретатор (обычно ash), набор команд BusyBox, несколько вспомогательных библиотек и набор модулей ядра (драйверов), предназначенных для работы с различными накопителями и файловыми системами.
Этапы загрузки Linux. Содержимое initramfs.
Смысл существования initramfs в том, чтобы решить проблему курицы и яйца: загрузить драйверы для подключения реальной корневой файловой системы до того, как она будет подключена. Именно это и происходит, когда система запускает скрипт /init. Он определяет установленные в систему накопители, загружает в ядро драйверы для работы с ними, а затем подключает нужный раздел нужного накопителя (о том, какой именно, ядро узнает благодаря переданному при загрузке параметру root) к корню, перекрывая таким образом содержимое initramfs. Затем скрипт запускает /sbin/init, с которого и начинается следующий шаг загрузки ОС.
Загрузка Linux. Скрипт init из initramfs.
После того как скрипт /init из initramfs заканчивает свою работу, он запускает утилиту /sbin/init реальной файловой системы. С этого момента начинается инициализация самой ОС: загрузка необходимых драйверов, подключение файловых систем и разделов подкачки, настройка сетевых интерфейсов и запуск системных служб.
Исторически /sbin/init была очень простой утилитой, которая занималась только тем, что передавала управление определенным скриптам в зависимости от переданного ей параметра (скрипты располагались в каталогах /etc/rcX.d/, где X — уровень загрузки). Каждый скрипт отвечал за строго определенную операцию: один подключал перечисленные в файле /etc/fstab файловые системы, другой конфигурировал сетевые интерфейсы, еще один запускал демон cron (он занимается запуском периодических задач), еще один — демон syslog (он отвечает за прием журнальных сообщений и их запись на диск) и так далее. Этот стиль инициализации получил имя SystemV по имени версии UNIX, в которой он появился.
Достоинство стиля инициализации SystemV в его крайней простоте: его легко понять, его легко реализовать, с ним просто работать. Однако он абсолютно не подходит к современным реалиям.