Linux 启动流程

引言

Linux 启动流程是硬件初始化、固件引导、内核加载与用户空间启动的有机结合，涉及 BIOS/UEFI、引导加载程序、内核进程、文件系统等多个关键组件。

本文将以 "三阶段框架" 为基础，拆解从上电到用户登录的每一个核心步骤，厘清各组件的协作机制与底层原理。

第一阶段：上电与固件初始化（硬件到引导准备）

当计算机接通电源后，系统首先完成硬件重置与固件初始化，为后续引导过程铺路，这一阶段分为上电重置 和BIOS/UEFI 固件执行两步。

1.1 上电重置：CPU 的初始指令执行

在 x86 架构系统中，上电后硬件会自动完成两项关键操作：

• 内存映射：将 1MB 地址空间的顶部 64KB（0xF0000~0xFFFFF）分配给 ROM（只读存储器），其中存储着 BIOS/UEFI 固件程序；

• 寄存器初始化：CPU 将代码段寄存器（CS）设为 0xFFFF，指令指针寄存器（IP）设为 0x0000，因此第一条执行指令指向 0xFFFF0 地址 ------ 恰好位于 ROM 的 BIOS/UEFI 代码区域；

• 指令跳转：0xFFFF0 地址处的 JMP 指令会引导 CPU 执行 ROM 中的固件初始化代码，正式启动 BIOS/UEFI 流程。

1.2 BIOS/UEFI 固件的核心工作

固件（BIOS 或 UEFI）是硬件与操作系统之间的桥梁，其核心职责包括：

• 硬件自检（POST）：检测内存、硬盘、CPU、外设等硬件是否正常工作，若检测失败则通过蜂鸣码或屏幕提示报错；

• 固件初始化：加载固件自带的驱动程序，使固件能与硬件设备交互；

• 启动设备选择：根据预设启动顺序（如硬盘、USB、光盘）或用户手动选择，识别可启动介质；

• 引导加载程序加载：从启动介质的指定分区（如 MBR 扇区或 EFI 系统分区）读取引导加载程序（Bootloader）到内存，随后将系统控制权移交。

注：BIOS 是传统固件标准，UEFI 是现代替代方案，支持更大硬盘容量和更快启动速度，二者核心功能一致，但 UEFI 通过 EFI 系统分区（ESP）存储引导程序（.efi 文件），而非 BIOS 依赖的 MBR。

第二阶段：引导加载（从固件到内核的衔接）

引导加载程序（Bootloader）是衔接固件与 Linux 内核的关键组件，核心任务是找到并加载内核文件，主流实现为 GRUB2。这一阶段涉及 MBR/EBR/VBR 分区引导和 GRUB2 的具体执行流程。

2.1 MBR/EBR/VBR：分区引导的底层逻辑

固件移交控制权后，首先读取启动介质的主引导记录（MBR） ------ 位于硬盘第一个扇区（512 字节），分为两部分：

• 主引导代码（446 字节）：存储简化版引导程序，负责查找操作系统所在分区；

• 分区表（64 字节）：记录硬盘的主分区、扩展分区信息，最多支持 4 个主分区。

根据操作系统安装位置，引导流程分为两种情况：

1. 操作系统在主分区：MBR 引导代码加载该主分区的卷引导记录（VBR） ，由 VBR 中的引导程序继续执行；

1. 操作系统在逻辑分区：MBR 引导代码先查找扩展分区表，找到扩展引导记录（EBR） 所在分区，再将控制权移交 EBR 的引导程序。

2.2 GRUB2：主流引导加载程序详解

GNU GRUB2（Grand Unified Bootloader）是 Linux 系统默认的多系统引导程序，支持选择不同内核版本或操作系统，核心特性与加载流程如下：

2.2.1 GRUB2 核心特性

• 多系统支持：可在同一计算机中引导 Linux、Windows 等多个操作系统；

• 内核参数传递：启动时可向 Linux 内核传递自定义参数（如调试模式、根分区指定）；

• 配置与安装：

生成配置文件：grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg（自动扫描系统内核与启动项）；

安装到硬盘：grub2-install /dev/sda（将 GRUB2 引导代码写入 MBR 或 EFI 分区）。

2.2.2 GRUB2 加载流程

1. 加载 boot.img：BIOS/UEFI 将 MBR 中的 boot.img（GRUB2 第一阶段代码）加载到内存 0x7c00 地址执行；
2. 加载 core.img：boot.img 通过 diskboot.img 模块读取硬盘中的 core.img（GRUB2 核心镜像），包含 lzma_decompress.img（解压缩程序）、kernel.img（GRUB2 内核）和各类功能模块；
3. 切换到保护模式：实模式（1MB 地址空间）无法容纳核心镜像，lzma_decompress.img 调用real_to_prot函数切换到保护模式，突破内存寻址限制；
4. 显示启动菜单：GRUB2 内核加载完成后，读取grub.cfg配置文件，显示内核版本列表（如 CentOS 的 3.10 内核），等待用户选择；
5. 加载内核与 initramfs：用户选择后，GRUB2 将 Linux 内核（/boot/vmlinuz）和初始 RAM 文件系统（/boot/initramfs）加载到内存，随后将控制权移交内核。

第三阶段：Linux 内核与用户空间启动（系统核心初始化）

内核接管控制权后，完成硬件初始化、进程创建、文件系统挂载，最终进入用户登录界面，这是启动流程的核心阶段，分为内核初始化 、进程创建 、文件系统挂载 、用户登录四大环节。

3.1 内核加载与初始化

内核（vmlinuz）是压缩的内核镜像，加载后首先完成：

• 内核解压：lzma_decompress.img 协助解压内核到内存；

• 硬件初始化：通过start_kernel()函数初始化 CPU、内存、中断控制器、存储设备等硬件，加载内核驱动；

• 内存管理初始化：mm_init()建立页表、虚拟内存映射；

• 中断系统初始化：trap_init()配置中断向量表，使系统能响应硬件中断；

• 虚拟文件系统（VFS）初始化：vfs_caches_init()搭建 rootfs（基于内存的临时文件系统）框架。

3.2 0 号与 1 号进程：系统进程的 "基石"

内核初始化完成后，通过rest_init()函数创建核心进程，形成系统进程树的根：

3.2.1 0 号进程（swapper/idle）：创世进程

• 基本属性：PID=0，由内核代码静态定义（struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)），无用户空间程序，不显示在ps进程列表中；

• 核心职责：

系统启动初期完成内核初始化（如调度器schedule_init()、内存管理mm_init()）；

通过kernel_thread()创建 1 号进程（init/systemd）和 2 号进程（kthreadd，内核线程管理器）；

进程创建后蜕化为 idle 进程，当 CPU 无任务时运行，使 CPU 进入低功耗模式。

3.2.2 1 号进程（init/systemd）：用户空间根进程

• 基本属性：PID=1，由 0 号进程 fork 创建，是所有用户空间进程的直接 / 间接父进程；

• 核心职责：

初始化用户空间：挂载真实根文件系统、启动系统服务（网络、日志、SSH 等）；

收养孤儿进程：防止子进程成为僵尸进程；

系统启动关键：若 1 号进程终止，内核触发kernel panic（系统崩溃）。

3.2.3 init 进程的演变

1 号进程的实现随 Linux 发行版迭代升级，主要分为三代：

• SysV init：CentOS 5 及之前版本，配置文件/etc/inittab，按运行级别（runlevel 0-6）启动服务；

• Upstart：CentOS 6，兼容/etc/inittab，新增/etc/init/*.conf配置文件，支持事件驱动启动；

• Systemd：CentOS 7 及之后主流版本，配置文件位于/usr/lib/systemd/system/和/etc/systemd/system/，支持并行启动、按需加载，替代传统 init。

3.3 ramdisk：临时文件系统的过渡作用

1 号进程启动初期，真实根文件系统（如硬盘上的 ext4）尚未挂载，而访问硬盘需要驱动支持 ------ 为解决 "驱动在文件系统中，文件系统需要驱动访问" 的矛盾，内核引入ramdisk（内存文件系统） ：

• 内核加载时，将initramfs（打包的 ramdisk 镜像）解压到内存，作为临时根文件系统；

• ramdisk 中包含/init程序，负责加载硬盘驱动、检测并挂载真实根文件系统；

• 真实根文件系统挂载完成后，/init启动真实文件系统中的 1 号进程（如/sbin/init或/usr/lib/systemd/systemd），ramdisk 完成过渡使命。

3.4 fstab：自动挂载文件系统

系统启动过程中，1 号进程会读取/etc/fstab配置文件，自动挂载硬盘分区、U 盘等存储设备，fstab每行包含 6 个字段，含义如下：

|-------------------|----------|------------------|------------------|--------------------|-----------------|
| 字段 1 | 字段 2 | 字段 3 | 字段 4 | 字段 5 | 字段 6 |
| 设备标识（UUID / 设备文件） | 挂载点（空目录） | 文件系统类型（ext4/xfs） | 挂载参数（如 defaults） | dump 备份设置（0 = 不备份） | 磁盘检查顺序（0 = 不检查） |

3.5 运行级别：系统启动状态控制

Linux 通过运行级别（runlevel） 定义系统启动后的状态，由 1 号进程管理：

• runlevel 0：关机状态；

• runlevel 1：单用户模式（维护模式，无网络，仅 root 登录）；

• runlevel 3：多用户文本模式（无图形界面）；

• runlevel 5：多用户图形模式（默认桌面环境）；

• runlevel 6：重启状态。

Systemd 中用 "目标（target）" 替代传统运行级别，如multi-user.target对应 runlevel 3，graphical.target对应 runlevel 5。

3.6 用户登录：终端与身份验证

系统启动完成后，进入用户登录阶段，Linux 支持多种终端类型和登录方式：

3.6.1 终端类型

• /dev/console：控制台终端，内核输出信息直接显示于此；

• /dev/tty1~tty6：虚拟终端，通过Ctrl+Alt+F1~F6切换，tty1 通常为图形终端，tty2~tty6 为文本终端；

• /dev/pts/N：伪终端，SSH 连接、图形界面下的终端模拟器（如 GNOME Terminal）均使用伪终端。

3.6.2 登录方式

• 命令行登录：通过 tty2~tty6 或 SSH，输入用户名和密码验证；

• 图形登录：通过 tty1 的图形界面（如 GNOME、KDE），选择用户并输入密码登录。

登录成功后，系统为用户创建 shell 进程（如 bash），用户可通过 shell 执行命令，Linux 启动流程正式完成。

总结：Linux 启动流程全景图

Linux 启动的本质是 "硬件→固件→引导程序→内核→用户空间" 的控制权逐步移交过程，核心链路可概括为：

上电重置 → BIOS/UEFI自检与引导 → GRUB2加载内核与initramfs → 内核初始化（start_kernel）→ 0号进程创建1/2号进程 → ramdisk挂载真实根文件系统 → 1号进程（systemd/init）启动系统服务 → fstab自动挂载设备 → 进入运行级别 → 用户登录

理解这一流程，对于系统运维（如启动故障排查、内核参数调整）和底层开发（如驱动调试、进程管理）至关重要。