Как работает Linux: от нажатия кнопки включения до рабочего стола

how it works, 3D rendering, grunge metal text

Лучший способ понять, как работает операционная система, — это проследить поэтапно ее загрузку. Именно во время загрузки запускаются все те механизмы, что приводят ОС в движение. Процесс этот сложный, многоступенчатый и порой запутанный. Изучать его интересно, а открытия, которые ты сделаешь при этом, могут сильно тебя удивить.

В целом загрузку среднестатистического дистрибутива Linux можно разделить на пять стадий:

  1. Загрузчик.
  2. Запуск и первичная инициализация ядра.
  3. Обнаружение оборудования, загрузка драйверов и подключение файловых систем.
  4. Запуск системных служб (демонов).
  5. Старт графической или консольной пользовательской сессии.

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.

1. Загрузчик

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.

Чтобы увидеть меню Grub в Ubuntu, необходимо удерживать Shift

Почему vmlinuz?

Название файла с образом ядра имеет исторические корни. Изначально образ ядра классического UNIX назывался просто unix, но, когда появилась версия ядра для процессоров с защитой памяти, чтобы избежать путаницы, название сменили на vmunix. Буква z вместо x на конце, в свою очередь, означает, что образ сжат с помощью утилиты gzip (алгоритм Deflate, тот же, что в классическом ZIP).

2. Ядро и initramfs

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.

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.

Скрипт init из initramfs

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», увеличит личную накопительную скидку и позволит накапливать профессиональный рейтинг Xakep Score! Подробнее

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.


Евгений Зобнин: @ezobnin Редактор рубрики X-Mobile. По совместительству сисадмин. Большой фанат Linux, Plan 9, гаджетов и древних видеоигр.

Комментарии (9)

  • initramfs находится в каталоге /boot и стало быть файловая система данного каталога уже доступна раз уж она загружается. Зачем тогда грузить initramfs, если можно загрузить vmlinuz с того же каталога?

  • Спасибо! Статья собрала воедино все кусочки знаний который у меня были и расставила все по полкам. Узнал что то новенькое %)

  • Лично для меня ничего нового.
    А вот как Евгений это преподнёс - моё почтение, снимаю шляпу.
    Кратко, внятно, доступно.
    Талант преподавателя.

    Статья отличная, побольше бы таких.

  • Спасибо, побольше бы таких статей )

  • очень интересная статья. Коротко и ясно. Спасибо Женя!

    А можно написать статью про GNU HURD?
    Эту ОС скоро можно будет назвать зрелой!