Как загружается Linux

Update: Статья и скрипты были обновлены в марте 2013 (прошло 5 лет, старые скрипты не сильно отличаются от текущих, но всё-таки лучше изучать актуальный код, а логика загрузки системы за эти годы немного изменилась — иначе работает udev, появились новые синтетические fs вроде devtmpfs, /var/run переехал в /run, etc.).

Когда я осваивал Linux, мне было очень интересно что происходит при загрузке системы. Попытка разобраться в процессе загрузки привела меня в исходники загрузочных скриптов (/etc/inittab, /etc/rc*, /etc/init.d/*, ...) и их конфигов (/etc/sysconfig/*, /etc/cond.f/*, ...). Надо отметить серьёзные размеры и сложность этих скриптов — чтобы в них разобраться потребовалось немало времени. Но я в те времена искренне верил, что загрузка это сложный процесс, и что размеры и сложность загрузочных скриптов вполне оправданы.

Когда меня окончательно достал RedHat (2001 год), я решил собрать свой дистрибутив на базе LFS. Для своего дистрибутива пришлось самостоятельно разрабатывать загрузочные скрипты, и тут-то выяснилась правда: ничего сложного в процессе загрузки нет!

Проработав 2.5 года на своём дистрибутиве (PoWeR Linux) я мигрировал на Gentoo (на качественную поддержку своего просто не хватало времени). Изучив загрузочные скрипты Gentoo я пришёл в ужас! Их размеры и сложность были ещё больше, чем у старого RedHat. После детального изучения стала ясна причина: один и тот же комплект загрузочных скриптов использовался и для LiveCD и для обычной системы — такой себе универсальный монстрик. Так что при переходе на Gentoo я решил взять загрузочные скрипты из PoWeR Linux а стандартные Gentoo-шные не использовать (т.е. у меня от Gentoo используется только portage). И с тех пор ещё 4 года эти скрипты работают у меня на домашней рабочей станции и кучке удалённых серверов.

Характеристики

Размер скриптов (всех вместе) — 308 строк, 8KB:

$ wc 1 3 lib.sh 
 201  769 5855 1
  78  272 1726 3
  29  118  771 lib.sh
 308 1159 8352 итого

Минусы:

1. Всё в одном файле — при обновлении приложений практически невозможно автоматически обновить код инициализации этого приложения. Например, когда обновляется ALSA, то пакет может просто заменить файлы /etc/init.d/alsasound, /etc/conf.d/alsasound, /etc/modules.d/alsa. А в моём случае админу нужно будет ручками править /etc/runit/1.
2. Нет поддержки всего на свете. Например, я не использую RAID и LVM — так что команды для их инициализации вам нужно будет добавлять самостоятельно.
3. Вам нужно будет самостоятельно поддерживать эти скрипты. Я обычно при обновлении Gentoo поглядываю на изменения в (неиспользуемых мной) /etc/init.d/* скриптах и если меняется что-то важное — обновляю свои скрипты. Но, на практике, необходимость в таких изменениях возникает примерно раз в два года.

Плюсы:

1. Всё в одном небольшом файле — нет необходимости разыскивать по куче скриптов и их конфигов где настраивается то, что вам понадобилось; можно быстро и легко увидеть все базовые настройки системы.
2. Есть поддержка всего, что мне и моим друзьям за 11.5 лет было нужно на домашних компах и серверах.
3. Идеальны для изучения процесса инициализации Linux. Вы работаете с реальными базовыми командами Linux, которые одинаковы во всех дистрибутивах, а не со скриптами и конфигами специфичными для вашего дистрибутива.
4. Ускоряют загрузку системы. У меня домашняя машина грузится в single user mode (6 консолек с getty, syslog, klog, acpid, dnscache, tinydns, gpm) за 11 секунд. Я экспериментировал с параллельной загрузкой в стиле initng — эффект скорее отрицательный за счёт усложнения скриптов и порождения лишних процессов. Initng хорош для ускорения загрузки традиционных, раздутых скриптов, выполняющих множество ненужных действий, а в моём случае ускорять просто нечего. :)

Не смотря на малый размер эти скрипты не только надёжно и быстро грузят систему, но и поддерживают несколько фич облегчающих жизнь админу:

• Выполняемые команды сгруппированы в блоки по типам. В процессе загрузки выводятся названия блоков, с информацией были ли ошибки при выполнении команд блока.
• Если при выполнении блока команд были ошибки — выводится детальная информация по командам этого блока и возникшим ошибкам, после чего система ждёт 5 секунд нажатия любой кнопки для запуска bash и ручного исправления ошибок. После выхода из bash предлагается либо продолжить загрузку либо перегрузиться. Если ничего не нажимать, загрузка продолжится.
• Логи всего, что выводится при загрузке и отключении на экран (названия блоков команд и информация по возникающим ошибкам) сохраняются в файлах /var/log/boot, /var/log/shutdown. Благодаря этому можно на удалённых серверах посмотреть, как проходила загрузка/отключение.

Пример сообщений выводимых при загрузке

 + UDEV
 + MODULES
 + SYSCTL
 + MTAB
 - MOUNTALL

++ swapon -a
++ false
EXIT CODE: 1
++ mount -at nocoda,nonfs,noproc,noncpfs,nosmbfs,noshm
... press any key in 5 seconds to open shell …
 + CLEANTMP
 + RANDOMSEED
 + HWCLOCK
 + SENSORS
 + LOADKEYS
 + SOUND
 + HOST_NAME
 + ENVUPDATE
 + NETWORK
 + RUNIT
 + DMESG

Runit

Для загрузки я вместо SysVinit использую Runit. Runit не поддерживает /etc/inittab, вместо этого в нём используется простая схема:

1. При загрузке запускается скрипт /etc/runit/1. Его задача полностью проинициализировать систему.
2. По завершению скрипта /etc/runit/1 запускается скрипт /etc/runit/2, который должен запустить все необходимые сервисы (syslog, getty, ssh, apache, ...).
3. Когда пользователь останавливает/перегружает систему запускается скрипт /etc/runit/3 который должен подготовить систему к отключению (завершить все процессы, отмонтировать диски, etc.).

При желании можно настроить SysVinit для работы в том же стиле:

Запуск /etc/runit/{1,2,3} из SysVinit: /etc/inittab

id:3:initdefault:
rc::bootwait:/etc/runit/1
l0:0:wait:/bin/sh -c '/etc/runit/3; exec /sbin/halt'
l3:3:once:/etc/runit/2
l6:6:wait:/bin/sh -c '/etc/runit/3; exec /sbin/reboot'
ca:12345:ctrlaltdel:/sbin/shutdown -r now

Сервисы

Для запуска всех сервисов (getty, syslog, mysql, etc.) я использую тот же runit (по сути это просто немного улучшенный вариант daemontools). Но это отдельная большая тема, так что просто уточню что в этой статье скриптов для запуска сервисов нет, здесь только инициализация/отключение системы.

Исходники

Вспомогательные функции: /etc/runit/lib.sh

#!/bin/bash
startlog() { exec 3>&1 4>&2 1> >(tee $1) 2>&1; }
stoplog() { exec 1>&3- 2>&4-; }

wanna() {
    echo -e "\a... press any key in $2 seconds to $1 ..."
    read -t $2 -n 1 -s </dev/console
}
emergency() {
    if wanna "open shell" 5; then
        bash --norc </dev/console &>/dev/console
        if [[ "$0" == "/etc/runit/1" ]] && wanna "reboot now" 3; then
            exit 100
        fi
    fi
}

trace() { trap 'ERR=$?' ERR; set -Ex; $1 2>&1; set +Ex; trap ERR; } 2>&-
try() {
    local output=$( trace $1 )
    if [[ "$output" =~ "ERR=" ]]; then
        echo -e "\e[1m\e[31m - \e[37m$1\e[0m"
        echo "$output" | sed $'s/.*ERR=\(.*\)/\a\033[36mEXIT CODE: \\1\033[0m/g'
        emergency
    else
        echo -e "\e[1m\e[32m + \e[37m$1\e[0m"
    fi
}

Startup: /etc/runit/1

#!/bin/bash

CONSOLE() {
    dmesg -n 1
}

INIT() {
    mount -n -t proc -o "noexec,nosuid,nodev" none /proc
    mount -n -t sysfs -o "noexec,nosuid,nodev" none /sys
    mount -n -t tmpfs -o "mode=0755,nosuid,nodev" none /run
    mkdir /run/lock
    chmod 0775 /run/lock
    chown root:uucp /run/lock
    if grep -qs devtmpfs /proc/mounts; then
	mount -n -t devtmpfs -o "remount,exec,nosuid,mode=0755,size=10M" none /dev
    elif grep -qs devtmpfs /proc/filesystems; then
	mount -n -t devtmpfs -o "exec,nosuid,mode=0755,size=10M" none /dev
    else
	mount -n -t tmpfs none /dev
	busybox mdev -s
    fi
    # needed to run startlog (in /etc/runit/lib.sh) before UDEV
    ln -snf /proc/self/fd /dev/fd
    # extra mountpoints in /dev
    mkdir -p /dev/pts
    mount -n -t devpts -o "noexec,nosuid,gid=5,mode=0620" none /dev/pts
    mkdir -p /dev/shm
    mount -n -t tmpfs -o "noexec,nosuid,nodev" none /dev/shm
}

UDEV() {
    echo "" >/proc/sys/kernel/hotplug
    udevd --daemon
    udevadm trigger --type=subsystems --action=add
    udevadm trigger --type=devices --action=add
    udevadm settle --timeout=30
}

HWCLOCK() {
    hwclock --hctosys --localtime && touch /run/init.hwclock
}

MODULES() {
    true    # bash doesn't allow empty functions
#    modprobe -q nvidia NVreg_DeviceFileMode=432 NVreg_DeviceFileUID=0 NVreg_DeviceFileGID=27 NVreg_ModifyDeviceFiles=1
#    modprobe -q -a vmmon vmci vsock vmblock vmnet
#    modprobe -q -a vboxdrv vboxnetflt vboxnetadp
}

FSCK() {
    fsck -A -p -C0 -T -t noafs,nocifs,nocoda,nodavfs,nofuse,nofuse.sshfs,nogfs,noglusterfs,nolustre,noncpfs,nonfs,nonfs4,noocfs2,noshfs,nosmbfs,noopts=_netdev
}

REMOUNT() {
    mount -n -o remount,rw /
    grep -v ^rootfs /proc/mounts > /etc/mtab
    for i in $(cut -d ' ' -f 2 /etc/mtab | grep -vx /); do
    	mount -o remount "$i"
    done
}

LOCALMOUNT() {
    mount -at noproc,noafs,nocifs,nocoda,nodavfs,nofuse,nofuse.sshfs,nogfs,noglusterfs,nolustre,noncpfs,nonfs,nonfs4,noocfs2,noshfs,nosmbfs -O no_netdev
    swapon -a
}

SYSCTL() {
    sysctl -p /etc/sysctl.conf
}

MIGRATERUN() {
    rm -rf /var/lock
    ln -s /run/lock /var/lock
    rm -rf /var/run
    ln -s /run /var/run
}

UTMPWTMP() {
    > /var/run/utmp
    chgrp utmp /var/run/utmp
    chmod 0664 /var/run/utmp
    [ -e /var/log/wtmp ] || cp -a /var/run/utmp /var/log/wtmp
}

CLEANTMP() {
    rm -f  /tmp/.X*-lock /tmp/esrv* /tmp/kio* /tmp/jpsock.* /tmp/.fam*
    rm -rf /tmp/.esd* /tmp/orbit-* /tmp/ssh-* /tmp/ksocket-* /tmp/.*-unix
    mkdir -p /tmp/.{ICE,X11}-unix
    chmod 1777 /tmp/.{ICE,X11}-unix
}

RANDOMSEED() {
    mkdir -p /var/lib/misc
    [ -f /var/lib/misc/random-seed ] && cat /var/lib/misc/random-seed >/dev/urandom
    rm -f /var/lib/misc/random-seed
    local psz=$(( $(sysctl -n kernel.random.poolsize 2>/dev/null || echo 4096) / 4096 ))
    (umask 077; dd if=/dev/urandom of=/var/lib/misc/random-seed count=$psz 2>/dev/null)
}

SENSORS() {
    sensors -s
}

LOADKEYS() {
    # Commands for TTY initialization like 'setfont' and 'echo -ne "\033(K"'
    # shouldn't be executed in /etc/runit/1 because:
    # - which TTYs should be initialized may depend on current runlevel
    # - if TTY state become broken (for ex. after 'cat /dev/urandom'),
    #   then after logout and login TTY state should be reinitialized
    # these commands should be executed before each getty invocation instead.
    kbd_mode -u
    loadkeys koi2   # -q windowkeys
#    loadkeys -q -u ru4
    dumpkeys -c koi8-r | loadkeys --unicode
}

SOUND() {
    alsactl -f /etc/asound.state restore && touch /run/init.alsa
}

HOST_NAME() {
    # Here you should set only "host" part of your fqdn.
    # Add this line to /etc/hosts to configure FQDN:
    #   YOUR.IP.ADDR.ESS    YOUR_HOSTNAME.DOMAIN.TLD    YOUR_HOSTNAME
    hostname YOUR_HOSTNAME
}

NETWORK() {
    ip link set lo up
    iptables-restore </etc/iptables

    #ip link set eth0 up
    #ip addr add 192.168.1.2/24 dev eth0

    #ip route add default via 192.168.1.1 dev eth0
}

RUNIT() {
    # Set default action (shutdown or not) if Ctrl+Alt+Del pressed,
    # but /etc/runit/ctrlaltdel don't setup /etc/runit/stopit.
    touch /etc/runit/stopit
    chmod 100 /etc/runit/stopit
    
    # Set default action on shutdown (halt or reboot) if:
    # - /etc/runit/1 crash or exit 100
    # - /etc/runit/2 exit non 111
    # - Ctrl+Alt+Del pressed, but /etc/runit/ctrlaltdel don't setup /etc/runit/reboot
    touch /etc/runit/reboot
    chmod 100 /etc/runit/reboot
    
    # Set runlevel to:
    # - single      if kernel has param: S
    # - RUNLEVELNAME    if kernel has param: runlevel=RUNLEVELNAME
    # - default     if kernel has no params or unable to set requested runlevel
    grep -q '\(^\| \)S\( \|$\)' /proc/cmdline && runlevel='single'
    runsvchdir ${runlevel:-default} || runsvchdir default
}

SEND_MAIL() {
    echo -e "To: root\nSubject: reboot at $(date)" | sendmail -t
}

DMESG() {
    # Create an 'after-boot' dmesg log
    dmesg > /var/log/dmesg
    chmod 640 /var/log/dmesg
}


PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
trap ':' INT QUIT TSTP
. /etc/runit/lib.sh

try CONSOLE
try INIT
startlog /run/boot.log
try UDEV
try HWCLOCK
#try MODULES    # Enable & configure this if you have modules support in kernel
    FSCK
try REMOUNT
try LOCALMOUNT
try SYSCTL
try MIGRATERUN
try UTMPWTMP
try CLEANTMP
try RANDOMSEED
#try SENSORS    # Enable this if you have configured lm_sensors
#try LOADKEYS   # Enable & configure this for non-english keyboard layout
#try SOUND      # Enable this if you have sound card (also in /etc/runit/3!)
try HOST_NAME   # Do not forget to configure this
try NETWORK     # Do not forget to configure this
try RUNIT
#try SEND_MAIL  # Enable this if you wanna receive notification email on reboot
try DMESG
stoplog
mv /run/boot.log /var/log/boot

# Select next stage (exit 0 for stage 2, exit 100 for stage 3):
exit 0

Shutdown: /etc/runit/3

#!/bin/bash

CONSOLE() {
    chvt 1
    # Required in case getty was last process in this console and it leave
    # console in broken state (\n work as <LF> without <CR>).
    { stty sane ; echo ; } >/dev/console
}

TERM() {
    # Give a chance for all processes for clean exit.
    # This also will kill all 'runsvdir' and signal all 'runsv' to exit.
    killall5 -15 || [ $? -eq 2 ]
}

HWCLOCK() {
    test -f /run/init.hwclock && hwclock --systohc --localtime --noadjfile
}

SERVICES() {
    sv force-stop /var/service/* &>/dev/null || :
}

SOUND() {
    test -f /run/init.alsa && alsactl -f /etc/asound.state store
}

RANDOMSEED() {
    local psz=$(( $(sysctl -n kernel.random.poolsize 2>/dev/null || echo 4096) / 4096 ))
    (umask 077; dd if=/dev/urandom of=/var/lib/misc/random-seed count=$psz 2>/dev/null)
}

NETWORK() {
    ip link set group default down
}

WTMP() {
    halt -w
}

KILL() {
    # Goodbye to everybody...
    killall5 -9 || [ $? -eq 2 ]
}

UMOUNT() {
    sync; sync
    # Unmounting loopback devices first:
    for d in $(grep '^/dev/loop' /proc/mounts | cut -d ' ' -f 2 | tac); do
        eval "umount -d -r -f $'$d'"
    done
    # Unmounting all real filesystems except root:
    for d in $(egrep -v '^\S+ (/|/dev|/dev/.*|/proc|/proc/.*|/run|/sys|/sys/.*) ' /proc/mounts | cut -d ' ' -f 2 | tac); do
        eval "umount -r -f $'$d'"
    done
    # Switching off swap
    umount -a -t tmpfs 2>/dev/null || :
    swapoff -a
}


PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
trap ':' INT QUIT TSTP
. /etc/runit/lib.sh

try CONSOLE
startlog /var/log/shutdown
try TERM
try HWCLOCK
try SERVICES
#try SOUND      # Enable this if you have sound card
try RANDOMSEED
try NETWORK
try WTMP
try KILL
try UMOUNT
stoplog