Linux启动流程详解，各阶段做了什么，如何排查启动问题？

Linux 启动详解

Linux 系统的启动过程是一个复杂而有序的流程，涉及硬件初始化、引导加载、内核加载、系统服务启动等多个阶段，理解这一过程有助于排查启动故障、优化系统性能，以及深入掌握 Linux 系统的运行机制，本文将从开机加电到用户登录界面，详细拆解 Linux 系统的完整启动流程。

开机加电与 BIOS/UEFI 初始化

当计算机按下电源键后,首先执行的是硬件自检（POST），这一阶段由主板上的固件（BIOS 或 UEFI）负责，主要任务是检测硬件设备（如 CPU、内存、硬盘、键盘等）是否正常工作，并初始化最基础的硬件组件。

• BIOS vs UEFI
  传统 BIOS（基本输入输出系统）是 16 位实模式程序，功能较为简单，且仅支持 MBR（主引导记录）分区格式，而 UEFI（统一可扩展固件接口）是 32/64 位程序，支持 GPT（GUID 分区表），具备更快的启动速度、更高的安全性（如 Secure Boot）和更好的硬件兼容性。

• 启动设备选择
  BIOS/UEFI 完成自检后，会根据预设的启动顺序（如硬盘、U 盘、网络）查找可引导设备，若从硬盘启动，BIOS/UEFI 会读取硬盘的第一个扇区（MBR 或 GPT 的引导扇区），加载引导加载程序（如 GRUB）。

引导加载程序（GRUB/LILO）

引导加载程序是 Linux 启动过程中的关键环节，其核心任务是加载 Linux 内核并传递启动参数，常见的引导加载程序包括 GRUB（Grand Unified Bootloader）和 LILO（Linux Loader），GRUB 是目前的主流选择。

• GRUB 的工作流程

  1. 阶段 1（Stage 1）：由 BIOS/UEFI 加载，位于硬盘的第一个扇区，仅包含极少代码，用于加载下一阶段。
  2. 阶段 1.5（Stage 1.5）：加载文件系统驱动，以便读取 GRUB 的核心文件（如 stage2）。
  3. 阶段 2（Stage 2）：加载 GRUB 的核心功能，包括菜单显示、内核加载等。
  4. 加载内核：根据配置文件（如 /boot/grub/grub.cfg）选择要启动的 Linux 内核，并将内核和初始内存盘（initrd）加载到内存中。

• GRUB 配置文件
  /boot/grub/grub.cfg 是 GRUB 的核心配置文件，定义了启动菜单项、内核路径、启动参数等。

  menuentry "Ubuntu Linux" {  
      linux   /boot/vmlinuz-5.15.0-52-generic root=/dev/sda1 ro  
      initrd  /boot/initrd.img-5.15.0-52-generic  
  }  

  linux 行指定内核路径和根文件系统，initrd 行提供临时根文件系统，用于加载驱动模块。

  

Linux 内核初始化

内核被加载到内存后,开始接管系统控制权，完成硬件初始化和根文件系统挂载。

• 内核解压与启动
  内核镜像（如 vmlinuz）是经过压缩的，启动时会先解压自身，随后，内核初始化进程（init 进程，通常为 PID 1）被创建，负责后续的系统服务启动。

• 设备探测与驱动加载
  内核通过 Device Tree 或 ACPI 探测硬件设备，并加载对应的驱动程序，对于 SATA 硬盘，内核会加载 ahci 模块；对于 NVIDIA 显卡，则加载 nouveau 模块。

• 根文件系统挂载
  内核通过启动参数（如 root=/dev/sda1）定位根文件系统，并将其挂载为只读模式（ro），随后，内核会运行第一个用户空间程序，通常是 /sbin/init、/bin/systemd 或 /sbin/upstart，具体取决于发行版。

系统初始化（Systemd/Init）

现代 Linux 发行版多采用 systemd 作为系统初始化系统，取代了传统的 SysVinit。systemd 并行启动服务，提高了启动效率，并提供了依赖管理、日志记录等功能。

• systemd 的工作流程

  1. 挂载基本文件系统：systemd 首先挂载 /sys、/proc、/dev 等虚拟文件系统。
  2. 启动目标（Target）：systemd 通过“目标”定义系统运行状态，如 default.target（多用户模式）、rescue.target（救援模式）。
  3. 激活服务：根据目标，systemd 启动相关服务（如网络服务、日志服务），并处理服务依赖关系。

• 关键服务与单元（Unit）
  systemd 通过“单元”管理系统资源，包括服务（.service）、挂载点（.mount）、设备（.device）等。network.service 负责网络配置，sshd.service 启动 SSH 服务。

  

用户登录与启动完成

当系统服务启动完成后,systemd 会启动登录管理器（如 gdm、lightdm），显示登录界面，用户输入用户名和密码后，启动 Shell（如 bash），进入交互式环境。

• 运行级别与目标
  传统 Linux 使用运行级别（如 3 为多命令行模式，5 为图形模式），而 systemd 通过目标实现类似功能。multi-user.target 对应运行级别 3，graphical.target 对应运行级别 5。

• 启动流程总结
  以下表格总结了 Linux 启动的主要阶段：

  阶段	主要任务	关键组件
  硬件初始化	POST 自检、引导设备选择	BIOS/UEFI
  引导加载	加载内核和 initrd	GRUB/LILO
  内核启动	初始化硬件、挂载根文件系统	Linux 内核
  系统初始化	启动服务、管理依赖	systemd
  用户登录	启动登录管理器、进入 Shell	gdm/lightdm

常见启动问题与排查

• GRUB 菜单不显示：检查 /boot/grub/grub.cfg 是否存在，或运行 update-grub 重新生成配置。
• 内核 panic：可能是根文件系统挂载失败或驱动不兼容，可通过 dmesg 查看内核日志。
• 服务启动失败：使用 systemctl status <service>.service 检查服务状态，或查看 journalctl 日志。

Linux 系统的启动流程从硬件初始化到用户登录，环环相扣，各阶段紧密协作，通过理解这一过程，用户可以更高效地管理系统、排查故障，并根据需求优化启动性能，无论是开发者还是系统管理员，掌握 Linux 启动机制都是必备技能。