Linux启动流程详解

​ 操作系统的启动分为两个阶段引导（boot)和启动(startup)，引导阶段开始于打开电源开关，结束于内核初始化完成和systemd进程。启动阶段接管了剩余的工作，直到操作系统进入可操作状态。

​ 操作系统的开机引导和启动过程很容易理解，主要分为以下几个部分：

• BIOS上电自检(POST)
• 引导装载程序(GRUB2)
• 内核初始化
• 启动systemd，其是所有进程之父

上电自检

​ 上电自检的过程其实Linux什么也没做，上电主要由硬件部分来完成，这对于所有的操作系统都一样，接通电源后，开始执行BIOS基本输入输出系统(Basic I/O System)的POST上电自检(Power On Self Test)过程。BIOS上电自检确认硬件的基本功能正常，然后产生一个BIOS中断和INT 13H，该中断指向某个接入的可引导设备的引导扇区，它所找到的包含有效的引导记录的第一个引导扇区装在到内存中，并且内核的控制权也从引导扇区转移到此段代码。

​ 引导扇区是引导加载器真正的第一阶段，大多数Linux发行版本使用的引导加载器有三种:GRUB、GRUB2和LILO。GRUB2是最新的，也是使用最广泛的。

GRUB2

​ GRUB2 全称是 GRand Unified BootLoader，Version 2（第二版大一统引导装载程序）。它是目前流行的大部分 Linux 发行版本的主要引导加载程序。GRUB2 是一个用于计算机寻找操作系统内核并加载其到内存的智能程序。

​ GRUB通过/boot/grub/grub.conf进行配置。而/boot/grub2/grub.cfg配置GRUB2

两个GRUB的最主要作用都是把内核加载到内存运行，基本工作方式也一致，主要阶段也保持相同，都可分为三个阶段

阶段1

​ 如上文 POST（上电自检）阶段提到的，在 POST 阶段结束时，BIOS 将查找在接入的磁盘中查找引导记录，其通常位于 MBR（主引导记录Master Boot Record），它加载它找到的第一个引导记录中到内存中，并开始执行此代码。引导代码（及阶段 1 代码）必须非常小，因为它必须连同分区表放到硬盘的第一个 512 字节的扇区中。 在传统的常规 MBR 中，引导代码实际所占用的空间大小为 446 字节。这个阶段 1 的 446 字节的文件通常被叫做引导镜像（boot.img），其中不包含设备的分区信息，分区是一般单独添加到引导记录中。

​ ·由于引导记录必须非常的小，它不可能非常智能，且不能理解文件系统结构。因此阶段 1 的唯一功能就是定位并加载阶段 1.5 的代码。为了完成此任务，阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。在加载阶段 1.5 代码进入内存后，控制权将由阶段 1 转移到阶段 1.5。

阶段1.5

​ 如上所述，阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。该空间由于历史上的技术原因而空闲。第一个分区的开始位置在扇区 63 和 MBR（扇区 0）之间遗留下 62 个 512 字节的扇区（共 31744 字节），该区域用于存储阶段 1.5 的代码镜像 core.img 文件。该文件大小为 25389 字节，故此区域有足够大小的空间用来存储 core.img。

​ 因为有更大的存储空间用于阶段 1.5，且该空间足够容纳一些通用的文件系统驱动程序，如标准的 EXT 和其它的 Linux 文件系统，如 FAT 和 NTFS 等。GRUB2 的 core.img 远比更老的 GRUB1 阶段 1.5 更复杂且更强大。这意味着 GRUB2 的阶段 2 能够放在标准的 EXT 文件系统内，但是不能放在逻辑卷内。故阶段 2 的文件可以存放于 /boot 文件系统中，一般在 /boot/grub2 目录下。

​ 注意 /boot 目录必须放在一个 GRUB 所支持的文件系统（并不是所有的文件系统均可）。阶段 1.5 的功能是开始执行存放阶段 2 文件的 /boot 文件系统的驱动程序，并加载相关的驱动程序。

阶段2

​ GRUB 阶段 2 所有的文件都已存放于 /boot/grub2 目录及其几个子目录之下。该阶段没有一个类似于阶段 1 与阶段 1.5 的镜像文件。相应地，该阶段主要需要从 /boot/grub2/i386-pc 目录下加载一些内核运行时模块。

​ GRUB 阶段 2 的主要功能是定位和加载 Linux 内核到内存中，并转移控制权到内核。内核的相关文件位于 /boot 目录下，这些内核文件可以通过其文件名进行识别，其文件名均带有前缀 vmlinuz。你可以列出 /boot 目录中的内容来查看操作系统中当前已经安装的内核。

​ GRUB2 跟 GRUB1 类似，支持从 Linux 内核选择之一引导启动。Red Hat 包管理器（DNF）支持保留多个内核版本，以防最新版本内核发生问题而无法启动时，可以恢复老版本的内核。默认情况下，GRUB 提供了一个已安装内核的预引导菜单，其中包括问题诊断菜单（recuse）以及恢复菜单（如果配置已经设置恢复镜像）。

阶段 2 加载选定的内核到内存中，并转移控制权到内核代码。

内核

​ 内核文件都是以一种自解压的压缩格式存储以节省空间，它与一个初始化的内存映像和存储设备映射表都存储于 /boot 目录之下。

​ 在选定的内核加载到内存中并开始执行后，在其进行任何工作之前，内核文件首先必须从压缩格式解压自身。一旦内核自解压完成，则加载 systemd 进程（其是老式 System V 系统的 init 程序的替代品)，并转移控制权到 systemd。

​ 这就是引导过程的结束。此刻，Linux 内核和 systemd 处于运行状态，但是由于没有其他任何程序在执行，故其不能执行任何有关用户的功能性任务。

启动过程

​ 启动过程紧随引导过程之后，启动过程使 Linux 系统进入可操作状态，并能够执行用户功能性任务。

systemd

​ systemd 是所有进程的父进程。它负责将 Linux 主机带到一个用户可操作状态（可以执行功能任务）。systemd 的一些功能远较旧式 init 程序更丰富，可以管理运行中的 Linux 主机的许多方面，包括挂载文件系统，以及开启和管理 Linux 主机的系统服务等。但是 systemd 的任何与系统启动过程无关的功能均不在此文的讨论范围。

首先，systemd 挂载在 /etc/fstab 中配置的文件系统，包括内存交换文件或分区。据此，systemd 必须能够访问位于 /etc 目录下的配置文件，包括它自己的。systemd 借助其配置文件 /etc/systemd/system/default.target 决定 Linux 系统应该启动达到哪个状态（或目标态target）。default.target 是一个真实的 target 文件的符号链接。对于桌面系统，其链接到 graphical.target，该文件相当于旧式 systemV init 方式的 runlevel 5。对于一个服务器操作系统来说，default.target 更多是默认链接到 multi-user.target， 相当于 systemV 系统的 runlevel 3。 emergency.target 相当于单用户模式。

（LCTT 译注：“target” 是 systemd 新引入的概念，目前尚未发现有官方的准确译名，考虑到其作用和使用的上下文环境，我们认为翻译为“目标态”比较贴切。以及，“unit” 是指 systemd 中服务和目标态等各个对象/文件，在此依照语境译作“单元”。）

注意，所有的目标态target和服务service均是 systemd 的单元unit。

https://linux.cn/article-8807-1.html