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這篇文章有點長，我花了大約兩個星期的時間才完成，雖然不是寫得巨細無遺，但是我認為還是很有價值的，求推薦。不管你是不是 Linux 愛好者，也不管你是否能耐心讀完，請果斷 mark 之，你值得擁有。
這一篇可能是我這系列隨筆除總結之外的最後一篇，也可能不是。為什麼這麼說呢？因為我覺得在 Linux 應用環境方面再寫下去也可能不會有什麼新意了，至少以我的水平寫不出什麼新意了。我的這一個系列，基本上不涉及到編程，而是真真正正地將 Linux 桌面系統當成日常使用的工具，即使在我的這個系列中有探討 C 語言或者 Bash 語言的部分，我也是展示的相關的開發工具，比如 binutils 工具包和 autotools 工具鏈。我曾經說過，折騰 Linux 就是折騰 Linux 系統下的軟件，Linux 世界軟件之多，可寫的應該還有不少，但是我覺得已經沒有辦法寫得很好了。比如有一些工作我還沒有找到適當的工具，像 JavaScript 和 CSS 開發，對於博客園中的廣大前端攻城獅來說，肯定是各有神通，但是我確實不知道用什麼工具可以做到即順手又高效率，我只會簡單地用用 Firefox 提供的開發者工具。還有 3D 開發、游戲編程、移動開發等等，雖然可以寫的領域比較廣闊，但是畢竟我不是做這些的，沒什麼經驗，不能說光寫某某軟件試用體驗吧。再說，程序員終歸還是程序員，以後寫博客應該還是介紹編程經驗比較好。
之所以想到寫這些東西，那是因為我確實想讓大家也和我一樣，把 Linux 桌面系統打造成真真正正日常使用的工具，而不是安裝之後試用幾把再刪掉。我是真的在日常生活和工作中都使用 Linux，比如在 Linux 下編程、寫博客、寫論文和做幻燈。當然，對於 LibreOffice 這樣的軟件使用起來都不會有什麼困難，所以在我的博客中就基本沒有提到，就像 Windows 下的程序員不會去寫 MS Office 的使用指南一樣。如果有人不能堅持使用 Linux，那一定是 Linux 中的某些困難打敗了他。剛使用 Linux 時確實會碰到很多困難，比如界面不夠美觀啊、字體不夠順眼啊、輸入法太難用啊，還有就是想做某個工作找不到工具、想改一個屬性找不到入口、系統崩潰了無法恢復等等，甚至是剛安裝一個軟件包或者下載一個文件，卻不知道放到文件系統的什麼地方了。所以，我的這一個系列就是在向大家展示我的方法論，用什麼軟件不重要，怎麼用好也不重要，而是碰到問題了，用什麼思路去找答案，到哪裡去找答案。經過這二十幾篇的展示，我的方法論也基本上講完了。所以我決定，寫完這一篇探索 Linux 系統的啟動過程之後，我將開始另外一個系列的工作。
關於 Linux 系統的啟動過程也是幾經變革。首先是操作系統從磁盤載入的過程發生了變化，很老舊的操作系統需要自己寫啟動扇區，現在的操作系統早就將這個過程交給了專門的啟動工具。最常用的操作系統加載程序是 Grub，這個名字大家肯定早就如雷灌耳了，而且 Grub 也已經從第1版發展到了第2版，我們稱之為 Grub2。 Grub2 和 Grub1 有很大的差別，網絡上有很多講 Linux 的文章動不動就拿 Grub1 說事兒，比如讓大家修改 menu.lst 文件這樣的，都是很過時的內容了。關於 Grub2 的詳細資料可以閱讀文檔info grub或者info grub2。Grub 的優點是支持多操作系統的啟動，Windows、Linux、BSD都不在話下，但是它們的啟動協議是不一樣的，啟動 Windows 靠的是 chainloader，啟動 Linux 直接使用 linux 命令，而 BSD 系統好像是使用的 multiboot，特別是 Grub 的 multiboot 規范對那些很想自己寫操作系統的程序員很有用，因為再也不用從啟動扇區的代碼開始寫了，可以直接進入保護模式用 C 語言寫操作系統。Linux 系統在啟動的時候還有 initrd 或 initramfs 機制，這個也需要 Linux 用戶特別注意。initrd 或 initramfs 也經歷過一次技術革新，最開始采用的是 RamDisk 技術，目前采用的 tmpfs 技術。最後，內核加載入內存後，會將系統初始化的控制權交給 init 程序，而 init 程序也不是一成不變的，最開始使用的是 SysVinit，後來又改成 Upstart，現在最流行的又變成了 systemd。現在仍然有很多書和網文講的還是 SysVinit 時代的做法，當然這些文章只能以 RedHat EL 5 以及之前的發行版作為示例，而對於最新的發行版，這些文章中講的方法又會給新入門的用戶造成困難。
探索 Linux 系統的啟動過程是每一個 Linux 用戶進步到一定程度後必然要去做的一件事。有的人可能只是好奇，也有的人可能確實需要從啟動過程中去解決某一個特定的問題。這種探索我進行過多次，也早就想寫一寫，但是總是寫不好。這一次是借著 systemd 普及的東風，讓這個探索過程成為我這一系列的壓軸之作。為什麼說是借著 systemd 普及的東風呢？因為聽說本月即將發布的 Ubuntu 15.04 版本將會從 upstart 更換為 systemd，目前正在緊張地測試中。當然，一下子遷移過來對開發人員來講還是有點難度的，但是只要確定目標，即使 Ubuntu 15.04 不使用 systemd，到 15.10 也肯定是它了。因此，對於我這個喜歡折騰多個 Linux 發行版的人來說，就不用多線作戰了，只需要學好 systemd 即可。
這裡先簡單列一下 Linux 操作系統啟動的全過程：
/init程序，從此進入用戶空間；/init程序其實是 initramfs 文件中的，所以該文件需要的重要的初始化腳本、內核模塊、配置文件等，都位於 initramfs 文件中，這也是為什麼很多時候我們修改了某些配置文件後，需要先更新 initramfs 文件再重啟操作系統才會生效；/init程序負責掛載硬盤上的文件系統，然後再把根文件系統切換到硬盤上的根分區，再運行/sbin/init程序，這時所有程序、配置文件、腳本都是使用的硬盤上的了，當然，網絡文件系統也是同理。可以看出 init 程序的運行也是一個分階段的過程；/sbin/init程序負責系統的初始化、各種服務的運行、用戶的登陸等等；/sbin/init程序會運行 Display Manager，在 Fedora 中是 gdm，在 Ubuntu 中是 lightdm。然後 Display Manager 負責啟動整個圖形界面。 研究 Linux 啟動過程的第一站就是要研究 Grub。大部分時候我們不用考慮 Grub 的安裝，因為安裝 Linux 桌面系統的時候已經幫我們自動安裝好了，我們要做的，最多就是改改 Grub 的配置文件。只有在一種情況下需要手動安裝 Grub，那就是在系統崩潰後急救的時候，當然，需要先運行一個光盤版或 U 盤版的 Linux 系統，然後運行grub-install命令，這個命令需要指定將 Grub 安裝到那個硬盤的 MBR，具體操作看文檔即可。
Grub2 和 Grub 相比，有了很多改進，改進到 Grub2 都相當於一個小型的操作系統了，比如 Grub2 能識別各種格式的硬盤分區及文件系統，能識別各種格式的圖像，甚至還能動態加載模塊。其中最重要的改變是配置文件由 Grub1 時代的/boot/menu.lst文件變成 Grub2 時代的/boot/grub/grub.cfg文件了（注意，有的系統中是/boot/grub2/grub.cfg，比如 Fedora），配置文件的語法也變復雜了很多。雖然 Grub2 配置文件的語法比較復雜，但是我們一般不需要直接修改該文件，而是修改/etc/default/grub文件後，再使用update-grub命令自動生成配置文件。當然，要完成一些簡單任務時對/boot/grub/grub.cfg文件進行直接修改也是可以的，只是一旦系統更新，則對該文件的修改有可能被覆蓋。
Grub 最重要的任務就是加載 Linux 內核以及 initramfs 文件了，這幾個命令是非常簡單易懂的，在/boot/grub/grub.cfg文件中也非常容易找到，如下圖：
上圖主要是展示 Grub 載入 Linux 內核並且給 Linux 內核傳遞參數的過程，同時展示載入 initramfs 文件的過程。
Grub 將 Linux 內核和 initramfs 文件載入內存後，就把控制權交給內核，內核會將內存中的 initramfs 文件掛載為根文件系統，當內核初始化完成後需要進入用戶空間時，會運行/init，其實這個/init是在 initramfs 文件中的，所以如果想知道系統啟動後都干了些什麼，研究一下 initramfs 文件中的內容是有必要的。
在/boot目錄下，一般都有一個/boot/initrd.img文件或一個/boot/initramfs.img文件，但是要看裡面的內容還得有點技巧。先得學習一下歷史。第一個問題就是為什麼要有 initrd 或者 initramfs，答案是這樣的，為了減小 Linux 內核的大小，有一些驅動並沒有編譯進內核，而是以模塊的形式存在於文件系統中，但是有些文件系統呢又需要內核加載了相應的驅動模塊才能讀取，這樣就形成了一個是先有雞還是先有蛋這樣的一個矛盾的問題，為了解決這個問題，就是把這些驅動模塊放到 initrd 或 initramfs 文件中，���啟動器將其載入內存，然後內核加載內存中的驅動模塊，再驅動其它的文件系統，然後進行更多的工作。同時，對於很多嵌入式操作系統而言，可能載入內存的 initrd 或 initramfs 就是最終的文件系統。第二個問題就是 initrd 文件和 initramfs 文件是什麼格式的，怎麼創建和打開。這個問題有點復雜，且看我下面細細道來。
其實在 Linux 的歷史中，內存中的文件系統使用的技術還不一樣。在很老的系統中，是將某一塊內存模擬成磁盤，稱之為 RamDisk，這個技術效率不高，為什麼不高呢，那是因為將內存模擬成磁盤後，依然需要像對待磁盤一樣對待它，需要給它創建特定格式的文件系統，讀取或寫入文件的時候還是要用到內核的緩存系統，這樣同一份數據就在內存中存在了兩份，所以很浪費。老系統中使用的 initrd 文件其實就相當於是一個磁盤的鏡像，所以要讀取或寫入它的內容，就需要將它掛在到系統中，然後進行讀寫。
現在我們用的都是新系統，initrd 已經被 initramfs 取代了，雖然很多系統中仍然用initrd.img作為文件名，其實使用的是 initramfs 技術。initramfs 技術不使用 RamDisk，而是使用 tempfs，也就是復用了內核中的緩存系統，所以 tempfs 中的內容在內存中只存在一份，那就是在內核的緩存中，不僅節約了內存開銷，也提高了效率。那麼 initramfs 文件是什麼格式呢？它就是經過壓縮的 CPIO 格式，只要會cpio，打開它就不是問題。
其實也不是完全沒有問題，我在研究 Fedora 21 的 initramfs.img 文件時就碰到了困難。如果大家使用cat initramfs.img | cpio -imd將該 CPIO 文件解開，會發現只有少許幾個文件，文件數量和文件大小都遠遠低於我們的預期，如下圖：
問題究竟出在哪裡呢？這是因為 Fedora 21 采用了最新的 Early User Space 技術。這個問題在網上還暫時搜不到答案，我也是看到解壓出的文件中有一個early_cpio，然後以 early 為關鍵詞去看內核的代碼，才知道的。但是關於該技術的具體信息，我也沒搞懂。不過這不是重點，重點是如何正確地將該文件解包。首先，我找到了 Fedora 21 系統中用來構建 initramfs 文件的工具是 dracut，采用的方法論請看我該系列的第一篇，如下圖：
然後，我發現 dracut 軟件包中提供的lsinitrd工具可以查看 initramfs 中的內容，而且該工具是一個腳本。所以我就把它打開看了一下，如下圖：
在這個腳本中，我發現它需要用到一個skipcpio程序，跳過 initramfs 文件的頭部後，再將剩下的部分當成壓縮的 CPIO 文件進行解包。看來，會讀腳本程序有時也很重要，所以我的《Bash腳本編程語言中的美學與哲學》這一篇沒有白寫。最後，解包 initramfs 文件的命令是這樣的：
sudo /usr/lib/dracut/skipcpio initramfs-$(uname -r).img | zcat | cpio -imd 如下圖：
接下來，我們就可以愉快地研究/init程序都干些什麼了。
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