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Linux 系统启动流程

Gaaming Zhang2025/12/21大约 9 分钟

Linux 系统启动流程

核心概念

Linux 系统从电源启动到可用状态，经历多个阶段：BIOS/UEFI → Bootloader → Kernel → Init 系统。每个阶段的作用不同，理解启动流程有助于诊断启动问题、优化启动速度和深入理解系统。

启动流程详解

第一阶段：硬件自检和 BIOS/UEFI

1. 按下电源开关
2. BIOS/UEFI 启动（固件初始化）
   - 进行硬件自检（POST - Power On Self Test）
   - 检查 CPU、内存、硬盘等设备
   - 初始化硬件设备
3. BIOS 查找启动设备（根据启动顺序）
4. 读取引导扇区（MBR 或 GPT）

第二阶段：Bootloader（引导加载器）

主流 Bootloader 是 GRUB（GRand Unified Bootloader）。

BIOS/UEFI 加载 Bootloader
     ↓
GRUB Stage 1
  - 位置：MBR 的前 446 字节或 BIOS Boot Partition
  - 作用：定位和加载 Stage 1.5 或 Stage 2
     ↓
GRUB Stage 1.5（可选）
  - 位置：MBR 之后，第一个分区之前
  - 作用：理解文件系统，加载 Stage 2
     ↓
GRUB Stage 2
  - 位置：/boot/grub/ 目录
  - 功能：
    * 显示启动菜单（可选）
    * 加载内核镜像到内存
    * 加载初始化内存磁盘（initrd/initramfs）
    * 将控制权交给 Kernel

关键配置文件：

/etc/grub.d/          # GRUB 配置脚本
/boot/grub/grub.cfg   # GRUB 最终配置文件（自动生成）

# 修改 GRUB 配置
vim /etc/default/grub
update-grub            # Debian/Ubuntu
grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg  # RedHat/CentOS

第三阶段：Kernel 启动

GRUB 加载 Kernel
     ↓
Kernel 自解压和初始化
  - 设置 CPU 为保护模式
  - 初始化内存分配
  - 解析启动参数（来自 GRUB）
  - 加载驱动程序（来自 initramfs）
     ↓
Kernel 挂载根文件系统
  - 挂载 initramfs（临时根文件系统）
  - 初始化根文件系统
  - 加载必要的驱动（如磁盘驱动）
     ↓
Kernel 调用第一个用户程序
  - Systemd（现代 Linux）
  - Upstart（Ubuntu 老版本）
  - SysVinit（老版本）

查看 Kernel 启动参数：

cat /proc/cmdline
# 示例输出：
# BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-5.15.0 root=UUID=xxxxx ro quiet splash

# 关键参数含义：
# root=      : 根文件系统的位置
# ro         : 以只读方式挂载根文件系统
# quiet      : 不输出启动消息
# init=      : 指定第一个进程（默认 /sbin/init）

第四阶段：Init 系统（Systemd）

现代 Linux（Debian 8+、CentOS 7+ 等）使用 Systemd。

Systemd 启动（PID=1）
     ↓
读取目标（Target）配置
  - /etc/systemd/system/default.target（默认启动目标）
  - 通常链接到 multi-user.target 或 graphical.target
     ↓
解析依赖关系
  - 从目标配置中读取所有需要启动的 Service
  - 确定启动顺序（After=, Before= 字段）
     ↓
并行启动 Services
  - 执行所有 Before 的 Services
  - 同时启动无依赖关系的 Services（并行加速）
  - 等待依赖 Services 完成
     ↓
启动完成
  - 进入目标状态（如 multi-user.target）
  - 显示登录提示

重要目录和文件：

# 系统启动目标
ls -la /etc/systemd/system/default.target

# 查看启动目标
systemctl get-default
# 输出：multi-user.target

# 启动流程中的 Units 位置
/usr/lib/systemd/system/       # 官方 Units
/etc/systemd/system/            # 用户自定义 Units
/run/systemd/system/            # 临时 Units

# 查看启动耗时
systemd-analyze                # 总耗时
systemd-analyze blame          # 各 Unit 耗时排名
systemd-analyze plot           # 生成启动图表

启动过程时间线

电源启动
  ↓ (几秒钟，硬件自检)
BIOS/UEFI → Bootloader
  ↓ (< 1 秒，通常被 splash 屏幕隐藏)
GRUB 显示菜单 → 加载 Kernel
  ↓ (0.5-2 秒，Kernel 初始化)
Kernel 初始化 → 调用 Systemd
  ↓ (1-5 秒，依赖于 Units 数量)
Systemd 启动 Units → 系统就绪
  ↓ (total: 10-30 秒，取决于硬件和配置)
用户登录界面出现

查看和分析启动信息

1. 查看引导日志：

# Systemd 日志（完整的启动过程）
journalctl -b                 # 当前启动的所有日志
journalctl -b -0              # 当前启动
journalctl -b -1              # 上一次启动
journalctl -xe                # 最后 50 行日志加上错误标记

# Kernel 日志（启动阶段）
dmesg                         # Kernel 日志缓冲
dmesg | head -50              # 启动时的 Kernel 消息

2. 分析启动性能：

# 查看总启动耗时
systemd-analyze
# 输出示例：
# Startup finished in 2.105s (kernel) + 3.467s (userspace) = 5.572s

# 找出耗时最长的 Units
systemd-analyze blame
# 输出示例：
# 1.563s docker.service
# 0.824s networking.service
# 0.512s snapd.service

# 关键的链式依赖
systemd-analyze critical-chain

3. 故障诊断：

# 查看启动失败的 Units
systemctl --failed

# 查看特定 Service 的状态
systemctl status docker.service

# 查看 Service 的启动输出
journalctl -u docker.service -n 50

# 以调试模式启动（显示更多信息）
# 在 GRUB 启动参数中添加 systemd.log_level=debug

启动阶段的常见问题

问题 1：系统无法启动（卡在 GRUB）

# 症状：卡在 GRUB 界面或 GRUB 报错

# 排查步骤：
1. 检查 GRUB 配置
   cat /boot/grub/grub.cfg | grep menuentry

2. 修复 GRUB（如果 MBR 损坏）
   grub-install /dev/sda
   grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

3. 尝试手动启动
   # 在 GRUB 命令行输入：
   grub> ls
   grub> insmod linux
   grub> linux /vmlinuz-5.15 root=/dev/sda1
   grub> boot

问题 2：系统启动缓慢

# 排查步骤：
1. 分析启动耗时
   systemd-analyze blame

2. 禁用不需要的 Services
   systemctl disable service_name

3. 并行启动优化
   - 大多数 Services 已默认并行启动
   - 可在 Unit 文件中调整依赖关系

4. 检查是否卡在某个 Unit
   systemctl status -l  # 显示正在运行的 Unit

问题 3：根文件系统无法挂载

# 症状：Kernel 启动后卡住，显示 "Unable to mount root fs"

# 原因：
- 根设备不存在或路径错误
- 驱动程序未加载（initramfs 缺少驱动）
- 文件系统损坏

# 排查：
1. 检查 GRUB 中的 root 参数
   cat /proc/cmdline

2. 验证根设备是否存在
   ls -la /dev/sda1
   blkid  # 查看所有分区和 UUID

3. 重建 initramfs（包含驱动程序）
   mkinitramfs -o /boot/initrd.img-5.15 5.15
   # 或
   mkinitrd /boot/initrd.img-5.15 5.15

启动流程的文件清单

BIOS/UEFI 阶段
└─ 固件代码（不涉及文件系统）

Bootloader 阶段
├─ /boot/grub/            # GRUB 配置和模块
├─ /boot/vmlinuz-*        # Kernel 镜像（压缩的）
├─ /boot/initrd.img-*     # 初始化内存磁盘
└─ /boot/grub/grub.cfg    # GRUB 配置文件

Kernel 阶段
└─ 内存中的 Kernel 代码

Init 系统阶段（Systemd）
├─ /lib/systemd/system/           # 官方 Units
│  ├─ multi-user.target
│  ├─ graphical.target
│  ├─ networking.service
│  └─ ...
├─ /etc/systemd/system/           # 用户 Units
├─ /etc/systemd/system/default.target  # 启动目标
└─ /etc/fstab              # 文件系统挂载表

快速参考

# 查看当前运行级别（Target）
systemctl get-default
runlevel  # 兼容命令

# 改变启动目标
systemctl set-default multi-user.target
systemctl set-default graphical.target

# 查看启动耗时
systemd-analyze time
systemd-analyze blame | head -10

# 诊断启动问题
journalctl -b -p err  # 启动时的错误
systemctl --failed    # 启动失败的 Units

# 重建 Bootloader
grub-install /dev/sda
grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

# 重建 Initramfs
update-initramfs -u  # Debian/Ubuntu
mkinitramfs -o /boot/initrd.img-$(uname -r) $(uname -r)  # 通用

相关高频面试题

Q1: GRUB 和 initramfs 的作用分别是什么？

答案：

# GRUB（GRand Unified Bootloader）：
# - 作用：从 BIOS/UEFI 和硬盘之间搭建桥梁
# - 功能：
#   1. 加载 Kernel 镜像到内存
#   2. 加载 initramfs 到内存
#   3. 解析启动参数（root=, ro, quiet 等）
#   4. 将控制权转交给 Kernel

# initramfs（初始 RAM 文件系统）：
# - 作用：提供最小的临时根文件系统
# - 功能：
#   1. 包含启动所需的驱动程序（磁盘、文件系统等）
#   2. 挂载真实根文件系统前的初始化
#   3. 运行初始化脚本，扫描硬件并加载驱动
#   4. 最后切换到真实的根文件系统

# 查看 initramfs 内容：
file /boot/initrd.img-*        # 检查格式（gzip、cpio 等）
gunzip -c initrd.img | cpio -tv  # 列出内容

Q2: Systemd 如何实现快速启动？

答案：

# 3 个核心机制：

# 1. 并行启动（Parallelization）
#    - 不依赖的 Units 同时启动
#    - 大大加快总启动时间

# 2. 按需激活（On-demand Activation）
#    - Services 不立即启动，而是按需启动
#    - 减少启动阶段加载的 Services 数量

# 3. 即插即用（Plug and Play）
#    - 使用 systemd 的 Unit 依赖关系
#    - After=, Before=, Requires=, Wants= 等字段精确控制顺序

# 优化启动的方法：
systemd-analyze blame           # 找出耗时 Units
systemctl disable service       # 禁用不需要的 Services

# 查看并行启动情况：
systemd-analyze critical-chain  # 关键路径链
systemd-analyze plot > boot.svg # 生成启动关系图

Q3: 如果 Kernel 在启动时找不到根文件系统怎么办？

答案：

# 症状：
# VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)

# 原因分析：

# 1. root 参数错误
#    - GRUB 中的 root=UUID=xxx 或 root=/dev/sda1 不存在
#    排查：cat /proc/cmdline 检查 root 参数

# 2. 驱动程序缺失
#    - Kernel 没有根文件系统所在磁盘的驱动
#    - initramfs 中缺少必要驱动
#    排查：lspci, lsblk 检查硬件

# 3. 文件系统损坏
#    - 磁盘坏道或 inode 损坏
#    排查：fsck -n /dev/sda1（检查不修复）

# 解决方案：

# 方案 1：修复 root 参数
#   进入 GRUB 编辑界面（按 e），修改 root= 参数
#   使用 blkid 确认正确的 UUID 或设备路径

# 方案 2：重建 initramfs（包含驱动）
#   mkinitramfs -o /boot/initrd.img-$(uname -r) $(uname -r)

# 方案 3：使用 LiveCD/USB 修复
#   从 LiveCD 启动，挂载根文件系统，检查和修复

Q4: Systemd Target 和老版本的 Runlevel 对应关系是什么？

答案：

# 对应关系：
# Runlevel 0 ↔ poweroff.target       # 关机
# Runlevel 1 ↔ rescue.target         # 单用户模式
# Runlevel 2 ↔ multi-user.target     # 多用户无图形
# Runlevel 3 ↔ multi-user.target     # 多用户无图形
# Runlevel 4 ↔ multi-user.target     # 多用户无图形
# Runlevel 5 ↔ graphical.target      # 多用户带图形
# Runlevel 6 ↔ reboot.target         # 重启

# Systemd 查看和切换：
systemctl get-default                # 查看默认 Target
systemctl list-units --type=target    # 列出所有 Targets
systemctl set-default graphical.target

# 临时切换 Target（不修改默认）：
systemctl isolate multi-user.target   # 切换到多用户模式
systemctl isolate graphical.target    # 切换到图形界面
systemctl isolate rescue.target       # 进入救援模式

Q5: 如何调试和追踪系统启动过程？

答案：

# 1. 启用详细日志输出
#    在 GRUB 中修改启动参数：
#    - 移除 quiet splash
#    - 添加 systemd.log_level=debug
#    - 添加 log_buf_len=1M（增加日志缓冲）

# 2. 查看启动日志
journalctl -b            # 当前启动的所有日志
journalctl -b -p err     # 只显示错误
journalctl -b -f         # 实时跟踪（仅 systemd 阶段后）

# 3. 查看 Kernel 启动信息
dmesg | head -100        # 启动时的 Kernel 消息
dmesg | grep -i error    # 搜索 Kernel 错误

# 4. 追踪特定 Service
systemctl status docker.service
journalctl -u docker.service -n 100

# 5. 性能分析
systemd-analyze          # 总耗时
systemd-analyze blame    # 各 Unit 耗时
systemd-analyze plot > boot.svg  # 可视化

# 6. 进入启动调试（需在 GRUB 中添加 systemd.unit=rescue.target）
#    系统会在启动失败时进入 rescue shell

Q6: 如何优化 Linux 系统的启动速度？

答案：

# 诊断：
systemd-analyze blame | head -10   # 找出耗时最长的 Services

# 优化策略：

# 1. 禁用不需要的 Services
for service in snapd.service cups.service blueetooth.service; do
  systemctl disable $service
done

# 2. 启用并行启动（通常已默认）
#    在 /etc/systemd/system.conf 中检查：
#    DefaultEnvironment="SYSTEMD_SHOW_STATUS=1"

# 3. 调整启动超时时间
#    减少等待失败 Services 的时间
#    在相应 Service 文件中设置：
#    TimeoutStartSec=5

# 4. 使用 systemd.unit=multi-user.target
#    跳过图形界面启动（如不需要）

# 5. 检查和修复文件系统
#    坏块或损坏的文件系统会大幅拖累启动
#    fsck -f /dev/sda1

# 6. 使用 SSD 而非 HDD
#    磁盘读写速度直接影响启动时间

# 效果验证：
systemd-analyze time  # 修改前后对比

启动故障速查表

症状可能原因排查方法
GRUB 不显示BIOS 设置、MBR 损坏检查 BIOS 启动顺序、重装 GRUB
卡在 GRUB配置文件错误进入 GRUB 编辑，手动指定 root
Kernel 无法加载initramfs 损坏重建 initramfs
根文件系统无法挂载root 参数错误、驱动缺失检查 cmdline、重建 initramfs
系统启动缓慢不必要的 Servicessystemd-analyze blame，禁用服务
Units 启动失败依赖缺失、配置错误journalctl -xe，检查 Service 文件
系统卡住（黑屏）某个 Unit 阻塞按 Ctrl+Alt+F2 进入 tty，查看日志
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