Linux内核启动过程详解
Linux内核的启动过程是操作系统从引导到运行的关键阶段,涉及硬件初始化、内核加载、设备驱动激活及用户空间启动等多个环节，这一过程高效且严谨，确保系统能够稳定运行，以下将分阶段详细解析Linux内核的启动流程。
引导加载阶段
内核启动的第一步是引导加载程序（Bootloader）的执行，当计算机加电后，BIOS（基本输入输出系统）或UEFI（统一可扩展固件接口）会进行硬件自检（POST），随后查找引导设备（如硬盘、U盘）中的引导加载程序，常见的引导加载程序包括GRUB和LILO。
以GRUB为例,它会读取配置文件（如/boot/grub/grub.cfg），加载内核镜像（通常为vmlinuz）和初始内存盘（initrd，即initramfs），initrd是一个临时的根文件系统镜像，包含了驱动模块和工具，用于访问根文件系统所在的存储设备，引导加载程序将内核和initrd加载到内存中，并将控制权交给内核。
内核解压与初始化
内核镜像通常经过压缩（如使用zlib），以减小文件体积，当内核被加载到内存后，首先会执行解压操作，解压完成后，内核开始初始化自身的核心组件。
这一阶段的关键步骤包括：
- 设置临时页表：内核启用分页机制，建立虚拟内存映射，为后续内存管理奠定基础。
- 中断与异常处理：初始化中断描述符表（IDT）和全局描述符表（GDT），确保CPU能够正确处理硬件中断和软件异常。
- 启动进程0（idle进程）：内核创建第一个进程，即进程0（也称为swapper或idle进程），它是所有其他进程的祖先。
设备驱动与硬件初始化
内核接下来会初始化硬件设备,这一过程主要依赖initrd中的驱动模块，initrd被挂载为临时的根文件系统后，内核通过其加载必要的驱动程序，如存储控制器（如SATA、NVMe）、文件系统驱动（如ext4、xfs）等。
硬件初始化完成后,内核会释放initrd占用的内存，并挂载真正的根文件系统（root=参数指定的设备），根文件系统挂载后，内核进一步初始化剩余的硬件设备，包括：
- 时钟与定时器：设置系统时钟（如HPET、TSC），为进程调度提供时间基准。
- PCI设备枚举：扫描PCI总线，识别并初始化显卡、网卡等外设。
- 输入设备：加载键盘、鼠标等驱动，为图形界面或命令行交互做准备。
内核线程与调度器激活
硬件初始化完成后,内核会启动一系列核心线程，这些线程负责系统运行的关键任务。
- kthreadd：内核线程的“管理者”，负责创建和管理其他内核线程。
- ksoftirqd：处理软中断，避免中断处理程序过长影响系统响应。
- migration/
n：负责进程在不同CPU核心间的迁移，实现负载均衡。
内核调度器（CFS Completely Fair Scheduler）被激活，开始调度进程和内核线程的运行，调度器根据进程的优先级和运行时间，公平地分配CPU资源。
用户空间启动
内核的最后一步是启动用户空间的第一个进程——init或其替代者（如systemd），这一过程通过调用execve()系统完成，用户空间的程序接管系统的控制权。
以systemd为例，它会执行以下操作：
- 挂载文件系统：挂载
/proc、/sys、/dev等虚拟文件系统，以及配置中的其他文件系统。 - 启动系统服务：按依赖关系启动后台服务（如网络、日志、安全守护进程）。
- 提供登录界面：对于图形界面系统，启动显示管理器（如
gdm、sddm）；对于命令行系统，直接提供登录提示。
完成启动
当init或systemd完成初始化后，Linux系统即可接受用户输入或应用程序的请求，内核的启动过程正式结束，系统进入正常运行状态。
Linux内核的启动过程是一个从硬件到软件、从内核到用户空间的渐进式初始化流程，引导加载程序负责加载内核，内核通过解压、硬件初始化、驱动加载、调度器激活等步骤，最终将控制权交给用户空间程序，这一过程的高效性和模块化设计，确保了Linux系统的稳定性和可扩展性，也为后续的系统管理和应用开发奠定了坚实基础。
