Linux内核启动分析
Linux内核的启动过程是操作系统运行的核心环节,涉及硬件初始化、内存管理、进程创建等多个关键步骤，本文将从BIOS/UEFI加载开始，逐步解析内核启动的各个阶段，帮助读者理解系统从硬件到软件的完整启动流程。
引导加载阶段
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）首先执行硬件自检（POST），随后根据启动设备列表（如硬盘、U盘）查找引导程序，在Linux系统中，常见的引导加载程序有GRUB和systemd-boot，引导程序的主要任务是加载内核镜像（如vmlinuz）和初始内存盘（initrd），并将控制权移交给内核。
引导程序还会解析内核参数（如root=/dev/sda1或quiet），这些参数会影响内核的启动行为和后续的系统初始化。initrd是一个临时根文件系统，用于加载必要的驱动模块（如存储驱动），以便内核能够访问真正的根文件系统。
内核解压与初始化
内核镜像通常经过压缩（如使用zlib），以减少存储空间，在启动时，内核会首先进行自解压，解压后的代码被加载到内存的特定位置（如0x100000），随后，内核开始执行start_kernel()函数，这是内核初始化的入口点。
start_kernel()会依次调用多个初始化函数，完成以下任务：
- 中断和异常初始化：设置中断描述符表（IDT）和全局描述符表（GDT），为硬件异常和软件中断提供支持。
- 内存管理初始化：建立页表（page table），启用分页机制，并初始化伙伴系统（buddy system）和 slab 分配器，为后续内存分配提供基础。
- 进程管理初始化：创建第一个进程（init进程，PID为1），并初始化调度器（如CFS Completely Fair Scheduler）。
- 设备驱动初始化：通过
driver_init()函数注册总线设备模型，并初始化核心驱动（如PCI、USB）。
根文件系统挂载
在内核初始化完成后,需要挂载根文件系统以启动用户空间，这一过程由init进程或systemd管理，如果系统使用initrd，内核会先挂载initrd作为临时根文件系统，并执行其中的/init脚本，该脚本负责加载必要的驱动模块，扫描存储设备，然后切换到真正的根文件系统。
挂载根文件系统后,内核会调用init进程（如/sbin/init或systemd），启动用户空间的服务，内核的启动任务基本完成，系统进入运行态。
用户空间启动
init进程是用户空间的第一个进程，负责后续的系统初始化，在传统SysVinit中，init会按照/etc/inittab的配置启动运行级别（如multi-user.target），而在现代Linux发行版中，systemd已成为默认的初始化系统，它通过单元文件（unit files）管理服务、挂载点和设备。
systemd的启动流程包括：
- 挂载
/proc、/sys等虚拟文件系统。 - 启动必要的服务（如网络、日志、安全模块）。
- 激活用户登录界面（如
gdm或getty）。
Linux内核的启动是一个从硬件到软件的渐进过程,涉及引导加载、内核初始化、内存管理、进程创建和用户空间启动等多个阶段，理解这一过程有助于系统调试、性能优化和内核开发，随着技术的演进，systemd和模块化设计的引入进一步简化了启动流程，提高了系统的灵活性和效率，通过分析内核启动，我们可以更深入地把握操作系统的底层机制，为系统管理和开发奠定坚实基础。
