Linux系统启动流程是怎样的_BIOS到systemd完整解析【教程】

Linux启动流程为：固件POST→GRUB2加载内核与initramfs→内核初始化并用initramfs挂载真实根文件系统→systemd作为PID 1启动服务→呈现登录界面；现代主流采用UEFI+GPT+GRUB2+systemd组合。

Linux系统启动从按下电源键到出现登录界面，是一条环环相扣的链路。核心逻辑是：固件交出控制权 → 引导程序加载内核 → 内核借助initramfs挂载真实根文件系统 → systemd作为PID 1接管并启动服务 → 最终呈现用户空间。整个过程现代主流已全面转向UEFI + GPT + GRUB2 + systemd组合。

BIOS/UEFI固件阶段：硬件自检与启动设备定位

通电后，CPU跳转至固件（ROM/Flash）起始地址执行。BIOS或UEFI首先完成加电自检（POST），检测CPU、内存、存储控制器、键盘等基础硬件。若失败，通常停在自检界面或发出蜂鸣声。

随后按启动顺序（Boot Order）查找可引导设备：

• BIOS模式：读取硬盘MBR（LBA 0，512字节），验证末尾签名0x55AA，执行前446字节的Stage1引导代码
• UEFI模式：挂载EFI系统分区（ESP，FAT32格式），在\EFI\\grubx64.efi路径加载GRUB2 EFI应用；启用Secure Boot时还会校验数字签名

当前新服务器、笔记本及云平台默认使用UEFI，支持GPT分区表（突破2TB限制）、更快启动、图形化菜单和网络引导能力。

GRUB2引导加载阶段：内核与initramfs装载器

GRUB2不直接编辑/boot/grub2/grub.cfg（该文件由grub2-mkconfig自动生成），而是通过修改/etc/default/grub来定制行为，例如设置默认启动项、超时时间或内核参数。

关键动作包括：

• 解析配置，显示启动菜单（默认5秒倒计时）
• 根据选中项，从/boot加载vmlinuz-xxx（压缩内核镜像）和initramfs-xxx.img（初始RAM文件系统）到内存
• 将控制权移交内核，传递命令行参数（如root=UUID=...、rd.lvm.lv=...、quiet splash）

GRUB2在BIOS下分Stage1（MBR）、Stage1.5（文件系统驱动）、Stage2（完整功能）；UEFI下则以单一.efi模块运行，结构更简洁。

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内核与initramfs阶段：解压、初始化与根切换

内核被加载后立即解压自身，初始化中断、内存管理、调度器、设备驱动框架等核心子系统。此时它尚不能直接访问真实根文件系统——因为所需驱动（如NVMe、RAID、LVM、LUKS加密模块）可能以内核模块形式存于根分区中，形成“鸡生蛋”依赖。

initramfs正是为解决此问题而设计：

• 是一个临时驻留内存的精简CPIO归档，含必需驱动、工具（udev、cryptsetup、lvm）和初始化脚本（通常为/init）
• 脚本负责探测硬件、加载模块、解锁加密卷、激活逻辑卷、挂载真实根设备（如/dev/mapper/vg0-lv_root）
• 调用pivot_root系统调用，将根目录从initramfs切换至真实根文件系统

切换完成后，内核执行真实根下的/sbin/init（在systemd时代即指向/usr/lib/systemd/systemd）。

systemd初始化阶段：服务编排与目标达成

systemd作为PID 1进程，承担传统init的所有职责，并引入单元（Unit）模型统一管理服务、挂载点、套接字、定时器等资源。

启动流程实质是按依赖关系递归激活默认target（target即运行级别抽象）：

• 查看当前默认target：systemctl get-default
• 常见target：multi-user.target（命令行登录）、graphical.target（带GUI）
• systemd依次启动sysinit.target → basic.target → multi-user.target等，每个target依赖一组unit
• 服务按WantedBy=声明归属target，按After=/Requires=定义启动顺序

登录管理器（如gdm、sddm）作为graphical.target的一部分被拉起，最终呈现TTY或桌面会话。

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