深入理解 Linux 系统启动原理

March.s2026-08-20 11:18

从按下电源键到出现登录提示符，Linux 系统究竟经历了什么？本文以 CentOS 7 为样本，逐层拆解「POST 自检 → MBR 引导 → GRUB2 菜单 → 内核加载 → systemd 初始化」的完整启动链路，并系统梳理 target 依赖体系、运行级别演进、root 密码重置、/etc/fstab 故障排查与 GRUB2 配置等高频实战场景，助你真正读懂 Linux 的"开机哲学"。

文章目录

一、 启动链路总览

现代计算机系统是硬件与软件的复杂组合。从断电状态到拥有登录提示符的运行中系统，需要大量硬件与软件协同工作。以物理 X86_64 平台启动 CentOS 7 为例，较高层面的任务链路如下：

  1. 开机自检（POST）
  2. MBR 引导
  3. GRUB 菜单
  4. 加载内核
  5. 运行 systemd 进程（PID 1）

阶段一：开机自检

计算机接通电源后，系统固件（现代 UEFI 或更旧的 BIOS）运行开机自检（POST），并开始初始化硬件。

配置入口：在系统启动早期，通过按特定组合键（如 F2）进入并配置系统固件。

阶段二：MBR 引导

系统固件按配置顺序搜索启动磁盘上的主启动记录（MBR），从中读取 boot loader，并将系统控制权移交给它------在 CentOS 7 中，这个 boot loader 就是 GRand Unified Bootloader version 2（GRUB2）。

配置入口 ：使用 grub2-install 命令将 GRUB2 安装为磁盘上的启动加载器。

阶段三：GRUB2 菜单

GRUB2 从 /boot/grub2/grub.cfg 加载配置并显示操作系统菜单，供用户选择要启动的系统条目。

配置入口 ：通过 /etc/grub.d/ 目录、/etc/default/grub 文件与 grub2-mkconfig 命令生成 /boot/grub2/grub.cfg。

阶段四：加载内核与 initramfs

boot loader 根据选定条目的配置，从磁盘加载 kernel 与 initramfs 并放入内存。initramfs 是一个存档，包含启动所需硬件的内核模块、初始化脚本等。随后 boot loader 将控制权交给 kernel，同时传递内核参数与 initramfs 在内存中的位置；内核在 initramfs 中找到所有硬件驱动程序并完成硬件初始化。

配置入口 ：使用 /etc/dracut.conf.d/ 目录、dracut 命令与 lsinitrd 命令检查和维护 initramfs 文件。

阶段五：systemd 接管（PID 1）

initramfs 执行 /sbin/init 作为 PID 1------在 CentOS 7 中，/sbin/init 是指向 systemd 的链接。此后 systemd 全面接管系统初始化：

  1. systemd 加载内核命令行传递的 target，或加载系统配置的 default.target，该目标通常启动文本登录或图形登录界面。

    配置入口 ：使用 systemctl 设置默认 target。

  2. default.target 依赖 sysinit.target，后者负责初始化系统，例如读取 /etc/fstab 挂载文件系统、激活 systemd-journald 等。

    配置入口 ：使用 /etc/fstab 配置文件系统开机自动挂载。

  3. default.target 激活所有开机自启单元。

    配置入口 ：使用 systemctl enable 设置服务开机启用。

  4. default.target 激活 getty.target，打开 tty1 终端供用户登录。

二、 系统 target 依赖体系

systemd 使用类型为 target 的单元对其他单元进行分组。例如 multi-user.target 包含 chronyd.service、crond.service、firewalld.service 等服务；target 之间还可以层层嵌套------graphical.target 包含 multi-user.target，后者包含 basic.target，再往下包含 sysinit.target。

使用以下命令查看 target 之间的依赖关系：

bash 复制代码 
systemctl list-dependencies graphical.target

其输出呈现为一棵清晰的依赖树（节选结构如下）：

bash 复制代码 
graphical.target
├─display-manager.service
├─systemd-update-utmp-runlevel.service
├─udisks2.service
└─multi-user.target
  ├─auditd.service
  ├─crond.service
  ├─dbus.service
  ├─irqbalance.service
  ├─kdump.service
  ├─mdmonitor.service
  ├─NetworkManager.service
  ├─restorecond.service
  ├─rngd.service
  ├─rsyslog.service
  ├─sshd.service
  ├─systemd-ask-password-wall.path
  ├─systemd-logind.service
  ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
  ├─systemd-user-sessions.service
  ├─systemtap.service
  ├─tuned.service
  ├─basic.target
  │ ├─-.mount
  │ ├─tmp.mount
  │ ├─paths.target
  │ ├─slices.target
  │ │ ├─-.slice
  │ │ └─system.slice
  │ ├─sockets.target
  │ │ ├─dbus.socket
  │ │ ├─dm-event.socket
  │ │ ├─pcscd.socket
  │ │ ├─systemd-coredump.socket
  │ │ ├─systemd-initctl.socket
  │ │ ├─systemd-journald-dev-log.socket
  │ │ ├─systemd-journald.socket
  │ │ ├─systemd-udevd-control.socket
  │ │ └─systemd-udevd-kernel.socket
  │ ├─sysinit.target
  │ │ ├─dev-hugepages.mount
  │ │ ├─dev-mqueue.mount
  │ │ ├─dracut-shutdown.service
  │ │ ├─hwclock-save.service
  │ │ ├─kmod-static-nodes.service
  │ │ ├─ldconfig.service
  │ │ ├─lvm2-lvmpolld.socket
  │ │ ├─lvm2-monitor.service
  │ │ ├─proc-sys-fs-binfmt_misc.automount
  │ │ ├─sys-fs-fuse-connections.mount
  │ │ ├─sys-kernel-config.mount
  │ │ ├─sys-kernel-debug.mount
  │ │ ├─sys-kernel-tracing.mount
  │ │ ├─systemd-ask-password-console.path
  │ │ ├─systemd-binfmt.service
  │ │ ├─systemd-hwdb-update.service
  │ │ ├─systemd-journal-catalog-update.service
  │ │ ├─systemd-journal-flush.service
  │ │ ├─systemd-journald.service
  │ │ ├─systemd-machine-id-commit.service
  │ │ ├─systemd-modules-load.service
  │ │ ├─systemd-network-generator.service
  │ │ ├─systemd-random-seed.service
  │ │ ├─systemd-sysctl.service
  │ │ ├─systemd-sysusers.service
  │ │ ├─systemd-tmpfiles-setup-dev-early.service
  │ │ ├─systemd-tmpfiles-setup-dev.service
  │ │ ├─systemd-tmpfiles-setup.service
  │ │ ├─systemd-udev-trigger.service
  │ │ ├─systemd-udevd.service
  │ │ ├─systemd-update-done.service
  │ │ ├─systemd-update-utmp.service
  │ │ ├─cryptsetup.target
  │ │ ├─integritysetup.target
  │ │ ├─local-fs.target
  │ │ │ ├─-.mount
  │ │ │ ├─boot-efi.mount
  │ │ │ ├─boot.mount
  │ │ │ ├─systemd-fsck-root.service
  │ │ │ ├─systemd-remount-fs.service
  │ │ │ └─tmp.mount
  │ │ ├─swap.target
  │ │ │ └─dev-mapper-openeuler\x2dswap.swap
  │ │ └─veritysetup.target
  │ └─timers.target
  │   ├─dnf-makecache.timer
  │   └─systemd-tmpfiles-clean.timer
  ├─getty.target
  │ └─getty@tty1.service
  └─remote-fs.target

反过来，也可以查看某个单元被哪些 target 依赖（反向依赖）：

bash 复制代码 
# 查看反向依赖
systemctl list-dependencies sshd.service --reverse
bash 复制代码 
sshd.service
● └─multi-user.target
○   └─graphical.target

三、 系统启动级别：从 runlevel 到 target

CentOS 6 及之前使用**启动级别（runlevel）**控制系统开机激活哪些服务；CentOS 7 之后改用 target 承担同一职责。二者对应关系如下：

runlevel target 作用
0 poweroff.target 关机。init 0 同 poweroff 和 systemctl poweroff
1 emergency.target / rescue.target 单用户模式、救援模式和紧急模式，用于修复系统
2 --- 多用户文本界面，不具备 NFS 功能
3 multi-user.target 多用户文本界面
4 --- 未使用
5 graphical.target 多用户图形界面
6 reboot.target 重启。init 6 同 reboot 和 systemctl reboot

历史回顾：/etc/inittab

/etc/inittab 是 RHEL 6 之前版本初始化系统使用的配置文件，部分内容如下：

bash 复制代码 
# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
#   1 - Single user mode
#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)
#   3 - Full multiuser mode
#   4 - unused
#   5 - X11
#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
# 设置运行级别为 5，也就是图形化方式启动
id:5:initdefault:

设置系统当前运行 target

bash 复制代码 
# 设置系统当前运行 target 为 multi-user.target
systemctl isolate multi-user.target

# 设置系统当前运行 target 为 graphical.target
systemctl isolate graphical.target

设置系统开机默认运行 target

bash 复制代码 
# 查看系统开机默认运行 target
systemctl get-default
# 输出示例：multi-user.target

# 设置系统开机默认运行 target
systemctl set-default multi-user.target

# 重启验证
reboot

在系统启动时临时选择其它目标

要在启动时选择其他目标，将 systemd.unit=target.target 参数附加到内核命令行。该配置临时生效，常用于系统启动过程中的故障排除。操作步骤：

  1. 启动或重新启动系统；
  2. 按任意键（Enter 除外，它用于执行正常启动）中断启动加载器菜单倒计时；
  3. 将光标移至要启动的内核条目；
  4. 按 e 编辑当前条目；
  5. 将光标移至以 linux 开头的行------此即内核命令行；
  6. 附加 systemd.unit=target.target，例如 systemd.unit=emergency.target；
  7. 按 Ctrl+x 使用这些更改进行启动。

四、 实战：重置 root 密码

如果管理员仍处于登录状态（无论是拥有完全 sudo 权限的非特权用户，还是 root 用户），直接执行 passwd 即可。但若管理员未登录，任务就复杂了：CentOS 6 及更早版本可将系统启动到 runlevel 1 获取 root 提示符，而 CentOS 7 之后与 runlevel 1 最接近的紧急目标与救援目标都需要 root 密码才能登录。

常见的绕过思路有两种：其一，使用 Live CD 启动系统、挂载根文件系统后编辑 /etc/shadow（删除 root 密码字段，或替换为已知密码字段）；其二，让 initramfs 在特定断点暂停，提供 root 身份的 shell 来重置密码。后者又分为两个经典方法。

方法一：rd.break（官方推荐，优先使用）

中断点 ：initramfs 阶段，尚未切换真实根，提示符为 switch_root:/#。

  1. 重新启动系统；
  2. 按任意键（Enter 除外）中断启动加载器倒计时；
  3. 将光标移至要启动的内核条目，按 e 编辑；
  4. 将光标移到内核命令行（以 linux 开头的行），附加 rd.break。利用该选项，系统在从 initramfs 向实际系统移交控制权前中断。kernel 行可能有多个 console 参数，以最后一个为准，有时需要设置 console=tty0；
  5. 按 Ctrl+x 使用更改启动；
  6. 此时系统显示 root shell，磁盘上的实际根文件系统以只读 方式挂载在 /sysroot。依次执行：
bash 复制代码 
# 以读/写形式重新挂载 /sysroot
switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot

# 切换 root 位置，把 /sysroot 作为文件系统树的根
switch_root:/# chroot /sysroot

# 设置新 root 密码
sh-4.2# passwd root

# 若系统开启 SELinux，确保未标记文件（含 /etc/shadow）在启动过程中重新获得标记
sh-4.2# touch /.autorelabel
  1. 键入 exit 两次：第一次退出 chroot 环境，第二次退出 initramfs 调试 shell。系统将继续启动、执行完整的 SELinux 重新标记，然后再次重启；
  2. 登录验证。

方法二：init=/bin/bash

作用 ：内核启动完成后不启动 systemd（PID 1），而是直接把 /bin/bash 作为 PID 1，直接拿到系统 shell。此时根文件系统默认只读挂载。

  1. 重新启动系统；
  2. 按任意键（Enter 除外）中断启动加载器倒计时；
  3. 将光标移至要启动的内核条目，按 e 编辑；
  4. 将光标移到内核命令行，附加 init=/bin/bash，请开启一个 root shell。kernel 行可能有多个 console 参数，以最后一个为准，有时需要设置 console=tty0；
  5. 按 Ctrl+x 使用更改启动；
  6. 此时系统显示 root shell，磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在 /。依次执行：
bash 复制代码 
# 以读/写形式重新挂载根文件系统
bash-4.2# mount -o remount,rw /

# 设置新 root 密码
sh-4.2# passwd

# 若系统开启 SELinux，确保未标记文件（含 /etc/shadow）在启动过程中重新获得标记
sh-4.2# touch /.autorelabel

# 拉起 systemd，正常走完启动流程（切勿直接断电/重启）
sh-4.2# exec /sbin/init
  1. 登录验证。

两种方法对比

对比项 rd.break init=/bin/bash
中断阶段 initramfs，切换真实根之前 已切换到真实根，替代 systemd（PID 1）
根文件系统位置 真实根在 /sysroot，需要 chroot 直接就是真实系统 /
SELinux 依然生效，必须写 /.autorelabel 依然生效，也要 /.autorelabel
磁盘支持 LVM、RAID、iSCSI 都正常识别，initramfs 驱动完整 同样加载 initramfs，磁盘驱动正常
退出方式 两次 exit 正常继续启动 不能直接断电/重启，必须执行 exec /sbin/init
风险点 几乎无风险，官方标准方式 忘记 exec /sbin/init 直接重启，极易损坏文件系统
官方态度 RHEL/CentOS 官方文档标准方案 兼容旧方式，不推荐生产使用

五、 实战：/etc/fstab 引起的启动故障

环境准备

bash 复制代码 
# 设置磁盘分区管理方案
parted /dev/sdb mklabel msdos

# 创建分区
parted /dev/sdb unit MiB mkpart primary 1 10241

# 格式化为 xfs 文件系统
mkfs.xfs /dev/sdb1

# 创建挂载点
mkdir /data01

# 设置持久化挂载
echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0' >> /etc/fstab

# 挂载并验证
mount -a
df -h /data01
bash 复制代码 
文件系统       容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1       10G   33M   10G    1% /data01

故障一：挂载点不存在

bash 复制代码 
umount /data01
rmdir /data01

重启系统验证：系统可以正常进入 ，挂载点会被自动创建，df -h /data01 输出与之前一致。这说明挂载点缺失并非致命错误，systemd 会自动补建目录。

故障二：设备名称写错或找不到设备

bash 复制代码 
vim /etc/fstab
# 将原先的 sdb1 修改为 sdb2
# /dev/sdb2 /data01 xfs defaults 0 0

重启系统验证：

  1. 启动过程中找不到该设备；
  2. 等待 1 分 30 秒超时后，系统进入 emergency 模式 ，输入 root 密码进行修复；
  3. 修改为正确的值或注释该条目，确保系统正常启动；
  4. 输入 reboot 重新启动系统；若系统没有继续启动，可强制关机重启。

故障三：破坏文件系统

bash 复制代码 
dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=1

重启系统验证：

  1. 系统启动过程中尝试修复文件系统，修复失败后提示进入 emergency 模式修复；
  2. 进入 emergency 模式后执行修复命令：
bash 复制代码 
xfs_repair /dev/sdb1
  1. 修复完成后，输入 exit 继续启动，系统即可正常进入。

六、 GRUB2 配置详解

主要配置文件

  • /boot/grub2/：GRUB2 主要配置文件所在目录，例如 grub.cfg、grubenv、user.cfg；
  • /etc/grub2.cfg：指向 /boot/grub2/grub.cfg 的软连接。不要直接修改该文件 ------它由系统自动生成；如需自定义，应修改 /etc/grub.d/ 中的脚本与 /etc/default/grub，再通过 grub2-mkconfig 生成。使用 EFI 启动方式时，配置文件为 /etc/grub2-efi.cfg；
  • /etc/grub.d/：存放多个数字开头的脚本，按从小到大的顺序执行。例如 00_header 会调用 /etc/default/grub 实现最基本的开机界面配置；
  • /etc/default/grub：定义 GRUB 启动部分变量信息，例如菜单超时时间、内核参数等；
  • /boot/grub2/grubenv：设定默认启动条目。

修改菜单超时时间

bash 复制代码 
vim /etc/default/grub
# 修改 GRUB_TIMEOUT 为 10
GRUB_TIMEOUT=10

# 重新生成 grub2.cfg 配置文件使其生效
grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg
bash 复制代码 
Generating grub configuration file ...
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-c6e36d35c9a846d7b64d9fdf929b09f6
Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-c6e36d35c9a846d7b64d9fdf929b09f6.img
done
bash 复制代码 
# 重启验证
reboot

重启后即可看到 GRUB2 菜单按新的超时时间展示启动条目，配置生效。

七、总结

本文以 CentOS 7 为样本，完整拆解了 Linux 启动的五段式链路：固件 POST 自检、MBR 移交 GRUB2、GRUB2 加载内核与 initramfs、systemd 以 PID 1 接管初始化、target 依赖树逐级激活服务直至打开登录终端。在此基础上，文章进一步梳理了 runlevel 与 target 的演进对应、临时与永久运行目标设置、rd.break 与 init=/bin/bash 两种 root 密码重置方案的差异与风险，以及 /etc/fstab 三类典型故障的现象与修复路径，并给出 GRUB2 配置的正确修改姿势。理解启动原理，是排查开机故障、加固系统安全、优化启动性能的基石，也是每一位 Linux 运维工程师从"会操作"走向"懂原理"的必经之路。

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