BIOS/UEFI

MBR/GPT

硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，存放了预启动信息、分区表信息。

Boot Loader

Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。

Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。

Kernel

根据grub设定的内核映像所在路径，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。

Systemd

ref: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/1407_liuming_init3/index.html

init 系统的一个重要职责就是负责跟踪和管理服务进程的生命周期。它不仅可以启动一个服务，也必须也能够停止服务。

服务进程一般都会作为精灵进程（daemon）在后台运行，为此服务程序有时候会派生(fork)两次。在 UpStart 中，需要在配置文件中正确地配置 expect 小节。这样 UpStart 通过对 fork 系统调用进行计数，从而获知真正的精灵进程的 PID 号。

还有更加特殊的情况。比如，一个 CGI 程序会派生两次，从而脱离了和 Apache 的父子关系。当 Apache 进程被停止后，该 CGI 程序还在继续运行。而我们希望服务停止后，所有由它所启动的相关进程也被停止。

为了处理这类问题，UpStart 通过 strace 来跟踪 fork、exit 等系统调用，但是这种方法很笨拙，且缺乏可扩展性。systemd 则利用了 Linux 内核的特性即 CGroup 来完成跟踪的任务。当停止服务时，通过查询 CGroup，systemd 可以确保找到所有的相关进程，从而干净地停止服务。

multi-user.target 相当于在传统使用 SysV 的系统中运行级别 5

“套接字激活”(socket activation)、D-Bus activation 和 autofs

并发启动原理之一：解决 socket 依赖

绝大多数的服务依赖是套接字依赖。比如服务 A 通过一个套接字端口 S1 提供自己的服务，其他的服务如果需要服务 A，则需要连接 S1。因此如果服务 A 尚未启动，S1 就不存在，其他的服务就会得到启动错误。所以传统地，人们需要先启动服务 A，等待它进入就绪状态，再启动其他需要它的服务。Systemd 认为，只要我们预先把 S1 建立好，那么其他所有的服务就可以同时启动而无需等待服务 A 来创建 S1 了。如果服务 A 尚未启动，那么其他进程向 S1 发送的服务请求实际上会被 Linux 操作系统缓存，其他进程会在这个请求的地方等待。一旦服务 A 启动就绪，就可以立即处理缓存的请求，一切都开始正常运行。

那么服务如何使用由 init 进程创建的套接字呢？

Linux 操作系统有一个特性，当进程调用 fork 或者 exec 创建子进程之后，所有在父进程中被打开的文件句柄 (file descriptor) 都被子进程所继承。套接字也是一种文件句柄，进程 A 可以创建一个套接字，此后当进程 A 调用 exec 启动一个新的子进程时，只要确保该套接字的 close_on_exec 标志位被清空，那么新的子进程就可以继承这个套接字。子进程看到的套接字和父进程创建的套接字是同一个系统套接字，就仿佛这个套接字是子进程自己创建的一样，没有任何区别。

这个特性以前被一个叫做 inetd 的系统服务所利用。Inetd 进程会负责监控一些常用套接字端口，比如 Telnet，当该端口有连接请求时，inetd 才启动 telnetd 进程，并把有连接的套接字传递给新的 telnetd 进程进行处理。这样，当系统没有 telnet 客户端连接时，就不需要启动 telnetd 进程。Inetd 可以代理很多的网络服务，这样就可以节约很多的系统负载和内存资源，只有当有真正的连接请求时才启动相应服务，并把套接字传递给相应的服务进程。

和 inetd 类似，systemd 是所有其他进程的父进程，它可以先建立所有需要的套接字，然后在调用 exec 的时候将该套接字传递给新的服务进程，而新进程直接使用该套接字进行服务即可。

并发启动原理之二：解决 D-Bus 依赖

D-Bus 支持所谓”bus activation”功能。如果服务 A 需要使用服务 B 的 D-Bus 服务，而服务 B 并没有运行，则 D-Bus 可以在服务 A 请求服务 B 的 D-Bus 时自动启动服务 B。而服务 A 发出的请求会被 D-Bus 缓存，服务 A 会等待服务 B 启动就绪。利用这个特性，依赖 D-Bus 的服务就可以实现并行启动。

并发启动原理之三：解决文件系统依赖

系统启动过程中，文件系统相关的活动是最耗时的，比如挂载文件系统，对文件系统进行磁盘检查（fsck），磁盘配额检查等都是非常耗时的操作。在等待这些工作完成的同时，系统处于空闲状态。那些想使用文件系统的服务似乎必须等待文件系统初始化完成才可以启动。但是 systemd 发现这种依赖也是可以避免的。

Systemd 参考了 autofs 的设计思路，使得依赖文件系统的服务和文件系统本身初始化两者可以并发工作。autofs 可以监测到某个文件系统挂载点真正被访问到的时候才触发挂载操作，这是通过内核 automounter 模块的支持而实现的。比如一个 open()系统调用作用在”/misc/cd/file1”的时候，/misc/cd 尚未执行挂载操作，此时 open()调用被挂起等待，Linux 内核通知 autofs，autofs 执行挂载。这时候，控制权返回给 open()系统调用，并正常打开文件。

Systemd 集成了 autofs 的实现，对于系统中的挂载点，比如/home，当系统启动的时候，systemd 为其创建一个临时的自动挂载点。在这个时刻/home 真正的挂载设备尚未启动好，真正的挂载操作还没有执行，文件系统检测也还没有完成。可是那些依赖该目录的进程已经可以并发启动，他们的 open()操作被内建在 systemd 中的 autofs 捕获，将该 open()调用挂起（可中断睡眠状态）。然后等待真正的挂载操作完成，文件系统检测也完成后，systemd 将该自动挂载点替换为真正的挂载点，并让 open()调用返回。由此，实现了那些依赖于文件系统的服务和文件系统本身同时并发启动。

当然对于”/“根目录的依赖实际上一定还是要串行执行，因为 systemd 自己也存放在/之下，必须等待系统根目录挂载检查好。

不过对于类似/home 等挂载点，这种并发可以提高系统的启动速度，尤其是当/home 是远程的 NFS 节点，或者是加密盘等，需要耗费较长的时间才可以准备就绪的情况下，因为并发启动，这段时间内，系统并不是完全无事可做，而是可以利用这段空余时间做更多的启动进程的事情，总的来说就缩短了系统启动时间。

系统软件开发人员

开发人员需要了解 systemd 的更多细节。比如您打算开发一个新的系统服务，就必须了解如何让这个服务能够被 systemd 管理。这需要您注意以下这些要点：

  • 后台服务进程代码不需要执行两次派生来实现后台精灵进程，只需要实现服务本身的主循环即可。
  • 不要调用 setsid()，交给 systemd 处理
  • 不再需要维护 pid 文件。
  • Systemd 提供了日志功能，服务进程只需要输出到 stderr 即可，无需使用 syslog。
  • 处理信号 SIGTERM，这个信号的唯一正确作用就是停止当前服务，不要做其他的事情。
  • SIGHUP 信号的作用是重启服务。
  • 需要套接字的服务，不要自己创建套接字，让 systemd 传入套接字。
  • 使用 sd_notify()函数通知 systemd 服务自己的状态改变。一般地，当服务初始化结束，进入服务就绪状态时，可以调用它。

关机不是每个登录用户在任何情况下都可以执行的，一般只有管理员才可以关机。正常情况下系统不应该允许 SSH 远程登录的用户执行关机命令。否则其他用户正在工作，一个用户把系统关了就不好了。为了解决这个问题，传统的 Linux 系统使用 ConsoleKit 跟踪用户登录情况，并决定是否赋予其关机的权限。现在 ConsoleKit 已经被 systemd 的 logind 所替代。

logind 不是 pid-1 的 init 进程。它的作用和 UpStart 的 session init 类似，但功能要丰富很多，它能够管理几乎所有用户会话(session)相关的事情。logind 不仅是 ConsoleKit 的替代，它可以：

  • 维护，跟踪会话和用户登录情况。如上所述，为了决定关机命令是否可行，系统需要了解当前用户登录情况，如果用户从 SSH 登录，不允许其执行关机命令；如果普通用户从本地登录，且该用户是系统中的唯一会话，则允许其执行关机命令；这些判断都需要 logind 维护所有的用户会话和登录情况。
  • Logind 也负责统计用户会话是否长时间没有操作，可以执行休眠/关机等相应操作。
  • 为用户会话的所有进程创建 CGroup。这不仅方便统计所有用户会话的相关进程，也可以实现会话级别的系统资源控制。
  • 负责电源管理的组合键处理，比如用户按下电源键，将系统切换至睡眠状态。
  • 多席位(multi-seat) 管理。如今的电脑，即便一台笔记本电脑，也完全可以提供多人同时使用的计算能力。多席位就是一台电脑主机管理多个外设，比如两个屏幕和两个鼠标/键盘。席位一使用屏幕 1 和键盘 1；席位二使用屏幕 2 和键盘 2，但他们都共享一台主机。用户会话可以自由在多个席位之间切换。或者当插入新的键盘，屏幕等物理外设时，自动启动 gdm 用户登录界面等。所有这些都是多席位管理的内容。ConsoleKit 始终没有实现这个功能，systemd 的 logind 能够支持多席位。

lightdm

LightDM 负责启动 X servers，用户会话和欢迎界面。

Session Manager