【Linux】Linux 系统启动流程详解

1. BIOS/UEFI 阶段

• 硬件自检（POST）

  • BIOS/UEFI 执行硬件检查（内存、CPU、外设等）。
  • 若硬件异常，通过蜂鸣码或屏幕提示错误。

• 选择启动设备

  • 按配置顺序（硬盘、U盘、网络等）寻找可引导设备。
  • BIOS：读取磁盘第一个扇区的 MBR（512字节）。
  • UEFI：从 ESP 分区（EFI System Partition）加载 .efi 文件（如 grubx64.efi）。

2. 引导加载程序（Bootloader）

常见工具：GRUB2（GNU GRand Unified Bootloader）

GRUB2 工作流程：

1. Stage 1（MBR 或 ESP 分区）

   • 加载 Stage 1.5（如 core.img），提供基础文件系统驱动。

2. Stage 2（/boot/grub/）

   • 加载配置文件 /boot/grub/grub.cfg，显示启动菜单。
   • 用户可选择内核版本或进入救援模式。

3. 加载内核与 initramfs

   • 将选定的 内核（vmlinuz） 和 initramfs 镜像加载到内存。

关键文件：

• grub.cfg：由 grub-mkconfig 生成（编辑 /etc/default/grub 后需更新）。
• initramfs-*.img：包含根文件系统挂载前的必要驱动和工具。

3. 内核初始化

1. 解压与初始化

   • 内核解压并初始化硬件（CPU、内存、设备树等）。
   • 挂载临时根文件系统（initramfs），加载关键驱动（如磁盘控制器、文件系统驱动）。

2. 切换至真实根文件系统

   • 通过 initramfs 中的脚本（如 /init）挂载真正的根分区（/）。
   • 卸载 initramfs，释放内存。

3. 启动第一个用户进程

   • 内核启动 PID=1 的进程：
     • 传统系统：/sbin/init（SysV init）
     • 现代系统：systemd

4. 用户空间初始化

（1）SysV init 流程

• 读取 /etc/inittab
  • 确定默认运行级别（id:3:initdefault:）。
• 执行 /etc/rc.d/rc.sysinit
  • 初始化网络、挂载文件系统、加载内核模块等。
• 按运行级别启动服务
  • 运行级别目录（如 /etc/rc3.d/），按 S##Service 顺序启动服务。

（2）systemd 流程

• 加载默认 Target
  • 默认目标：graphical.target（图形界面）或 multi-user.target（命令行）。
• 并行启动服务
  • 根据单元（Unit）依赖关系并发启动服务，加速启动。
• 关键命令：

  systemctl get-default        # 查看默认 Target
  systemctl set-default TARGET# 修改默认 Target
  

5. 运行级别（Runlevel）与 Target 对照

6. 用户登录

• 显示管理器（Display Manager）
  • 图形登录：GDM（GNOME）、LightDM 等。
• 终端登录
  • 启动 getty 进程，提供 TTY 登录界面。
• 登录后加载 Shell
  • 执行用户配置（/etc/profile、~/.bash_profile 等）。

常见故障排查

1. GRUB 损坏

   • 使用 Live CD 修复或重装 GRUB：

     grub-install /dev/sda
     update-grub
     

2. 内核启动失败

   • 在 GRUB 菜单中选择旧版本内核启动。
   • 检查 /var/log/boot.log 或 journalctl -b（systemd 日志）。

3. 根文件系统挂载失败

   • 在启动参数中添加 init=/bin/bash 进入救援 Shell。
   • 检查 /etc/fstab 或手动挂载根分区。

四、流程图

BIOS/UEFI → Bootloader → Kernel → Init Process → Target/Runlevel → Login

附录

• 查看启动时间：systemd-analyze
• 重建 initramfs：mkinitramfs -o /boot/initrd.img-$(uname -r)
• 修改内核参数：编辑 /etc/default/grub → GRUB_CMDLINE_LINUX → 运行 update-grub

通过理解启动流程，可更高效地诊断系统问题或优化启动速度。