Linux 系统启动过程详解

原创已于 2025-10-13 00:29:55 修改 · 834 阅读

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于 2025-10-10 16:44:10 首次发布

概述

Linux系统的启动不是魔法，而是模块化的设计：每个环节独立、可调试。理解这个过程，能帮助我们更好地诊断启动问题、优化系统性能，甚至在定制系统时游刃有余。这意味着如果遇到“开机黑屏”或“引导失败”，我们能快速定位问题。比如，优化 GRUB 可以加速 20% 的启动时间；精简 systemd 服务，能让服务器停止运行不必要的服务。

这里可以给出一个形象的比喻，Linux 的启动过程就像一辆老式汽车从熄火到轰鸣前进：从“钥匙转动”（开机）到“引擎点火”（内核加载），再到“油门踩下”（系统就绪）。整个过程高效、有序，通常只需几秒到几十秒。

Linux 的启动过程通常分为几个关键阶段，从硬件初始化到用户空间的运行。需要注意的是，不同的 Linux 发行版（如 Ubuntu、CentOS）可能在细节上略有差异，但核心流程是相似的，尤其是现代系统多采用 systemd 作为初始化系统。

Linux 系统启动过程

linux启动过程
图1 Linux系统启动过程来自bytebytego.com

当我们打开电源时，BIOS（基本输入/输出系统）或 UEFI（统一可扩展固件接口）固件会从非易失性存储器加载并执行POST（开机自检）。
BIOS/UEFI 检测连接到系统的设备，包括 CPU、RAM 和存储。
选择要从中启动作系统的启动设备。这可以是硬盘驱动器、网络服务器或 CD ROM。
BIOS/UEFI 运行引导加载程序（GRUB），它提供了一个菜单来选择作系统或内核功能。
内核准备就绪后，我们现在切换到用户空间。内核启动 systemd作为第一个用户空间进程，它管理进程和服务，探测所有剩余硬件，挂载文件系统，并运行桌面环境。
systemd激活默认值。默认情况下，系统启动时目标单元。其他分析单元也会执行。
系统运行一组启动脚本并配置环境。
用户将看到一个登录窗口。系统现已准备就绪。

1. BIOS/UEFI 阶段：硬件初始化

包含图1中的阶段①、阶段②和阶段③
一切从按下电源按钮（Power On）开始。当计算机通电后，主板上的固件（Firmware）会首先运行，固件会从非易失性存储器加载并执行 POST（Power On Self Test，开机自检）。这取决于你的系统是使用传统的 BIOS（Basic Input/Output System，基本输入/输出系统）还是现代的 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）。

BIOS 的作用：BIOS 加载自非易失性内存（如 ROM），它会执行 POST（Power-On Self-Test）自检，检查硬件是否正常，包括 CPU、内存、硬盘等。然后，它会搜索可引导设备（如硬盘、USB），并加载第一个扇区（通常是MBR - Master Boot Record）。
UEFI 的优势：UEFI 是 BIOS 的升级版，支持更大的硬盘（超过 2TB）、更快的启动速度和图形界面。它使用 EFI 系统分区（ESP）来存储引导程序，而不是 MBR。UEFI 还会验证引导文件的签名，以增强安全性。

图1阶段①、阶段②和阶段③是硬件层面的，Linux 系统本身还未介入。如果这里出问题，你可能看到黑屏或硬件错误提示。

2. Bootloader 阶段：引导加载器

包含图1中的阶段④
一旦 BIOS/UEFI 找到引导设备，它会将控制权交给 Bootloader。常见的 Bootloader 是 GRUB（Grand Unified Bootloader，大一统引导程序），尤其是 GRUB2。

GRUB 会读取配置文件（如 /etc/grub2.cfg 或 /boot/grub/grub.cfg），显示引导菜单，让用户选择内核版本或恢复模式。
然后，GRUB 加载 Linux 内核（通常是 /boot/vmlinuz-*）和初始 RAM 磁盘（initrd 或 initramfs），这是一个临时文件系统，用于加载必要的驱动（如磁盘驱动），以便内核能访问根文件系统。

Bootloader 是连接硬件和操作系统的桥梁。如果 GRUB 配置错误，系统可能无法启动。

3. Kernel 阶段：内核加载与初始化

包含图1中的阶段④
内核是 Linux 的核心，它被加载到内存中后开始执行。

内核首先解压自己，初始化硬件（如 CPU、内存管理）、加载模块，并挂载initramfs。
然后，它会切换到根文件系统（rootfs），挂载 /sys、/proc 等虚拟文件系统，并启动第一个用户空间进程（PID 1）。

在这个阶段，你可能会看到内核消息滚动在屏幕上（如 dmesg 输出）。内核版本可以通过 uname -r 查看。

4. Init 阶段：系统初始化

包含图1中的阶段⑤⑥
现代 Linux 发行版多使用 systemd 作为 init 系统（传统的是 SysVinit 或 Upstart）。
Init 进程（/sbin/init 或 /lib/systemd/systemd）读取配置文件（如 /etc/inittab 或 systemd 的 unit 文件），并根据 runlevel（运行级别）或 target（目标）启动服务。
Runlevel 是 SysVinit 的概念，从 0（关机）到 6（重启），但在 systemd 中被 targets 取代，如 multi-user.target（多用户模式）或 graphical.target（图形界面）。
Systemd 会并行启动服务，如网络、文件系统检查、用户登录等，提高启动效率。它还会运行启动脚本，如 /etc/rc.d/* 或 systemd 的服务文件。

如果使用图形界面，这里会启动显示管理器（如 GDM、LightDM），引导到登录界面。