你是否曾經(jīng)對操作系統(tǒng)為何能夠執(zhí)行應(yīng)用程序而感到疑惑？那么本文將為你揭開操作系統(tǒng)引導(dǎo)與啟動的面紗。

理解操作系統(tǒng)開機(jī)引導(dǎo)和啟動過程對于配置操作系統(tǒng)和解決相關(guān)啟動問題是至關(guān)重要的。該文章陳述了 GRUB2 引導(dǎo)裝載程序開機(jī)引導(dǎo)裝載內(nèi)核的過程（https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_GRUB）和 systemd 初始化系統(tǒng)執(zhí)行開機(jī)啟動操作系統(tǒng)的過程（https://en.wikipedia.org/wiki/Systemd）。

事實(shí)上，操作系統(tǒng)的啟動分為兩個階段：引導(dǎo)和啟動。引導(dǎo)階段開始于打開電源開關(guān)，結(jié)束于內(nèi)核初始化完成和 systemd 進(jìn)程成功運(yùn)行。啟動階段接管了剩余工作，直到操作系統(tǒng)進(jìn)入可操作狀態(tài)。

總體來說，Linux 的開機(jī)引導(dǎo)和啟動過程是相當(dāng)容易理解，下文將分節(jié)對于不同步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。

BIOS 上電自檢（POST）

引導(dǎo)裝載程序 (GRUB2)

內(nèi)核初始化

啟動 systemd，其是所有進(jìn)程之父。

注意，本文以 GRUB2 和 systemd 為載體講述操作系統(tǒng)的開機(jī)引導(dǎo)和啟動過程，是因?yàn)檫@二者是目前主流的 linux 發(fā)行版本所使用的引導(dǎo)裝載程序和初始化軟件。當(dāng)然另外一些過去使用的相關(guān)軟件仍然在一些 Linux 發(fā)行版本中使用。

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引導(dǎo)過程

引導(dǎo)過程能以兩種方式之一初始化。其一，如果系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，那么打開電源按鈕將開啟系統(tǒng)引導(dǎo)過程。其二，如果操作系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行在一個本地用戶（該用戶可以是 root 或其他非特權(quán)用戶），那么用戶可以借助圖形界面或命令行界面通過編程方式發(fā)起一個重啟操作，從而觸發(fā)系統(tǒng)引導(dǎo)過程。重啟包括了一個關(guān)機(jī)和重新開始的操作。

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BIOS 上電自檢（POST）

上電自檢過程中其實(shí) Linux 沒有什么也沒做，上電自檢主要由硬件的部分來完成，這對于所有操作系統(tǒng)都一樣。當(dāng)電腦接通電源，電腦開始執(zhí)行 BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）的 POST（上電自檢）過程。

在 1981 年，IBM 設(shè)計的第一臺個人電腦中，BIOS 被設(shè)計為用來初始化硬件組件。POST 作為 BIOS 的組成部分，用于檢驗(yàn)電腦硬件基本功能是否正常。如果 POST 失敗，那么這個電腦就不能使用，引導(dǎo)過程也將就此中斷。

BIOS 上電自檢確認(rèn)硬件的基本功能正常，然后產(chǎn)生一個 BIOS 中斷 INT 13H，該中斷指向某個接入的可引導(dǎo)設(shè)備的引導(dǎo)扇區(qū)。它所找到的包含有效的引導(dǎo)記錄的第一個引導(dǎo)扇區(qū)將被裝載到內(nèi)存中，并且控制權(quán)也將從引導(dǎo)扇區(qū)轉(zhuǎn)移到此段代碼。

引導(dǎo)扇區(qū)是引導(dǎo)加載器真正的第一階段。大多數(shù) Linux 發(fā)行版本使用的引導(dǎo)加載器有三種：GRUB、GRUB2 和 LILO。GRUB2 是最新的，也是相對于其他老的同類程序使用最廣泛的。

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GRUB2

GRUB2 全稱是 GRand Unified BootLoader，Version 2（第二版大一統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序）。它是目前流行的大部分 Linux 發(fā)行版本的主要引導(dǎo)加載程序。GRUB2 是一個用于計算機(jī)尋找操作系統(tǒng)內(nèi)核并加載其到內(nèi)存的智能程序。由于 GRUB 這個單詞比 GRUB2 更易于書寫和閱讀，在下文中，除特殊指明以外，GRUB 將代指 GRUB2。

GRUB 被設(shè)計為兼容操作系統(tǒng)多重引導(dǎo)規(guī)范，它能夠用來引導(dǎo)不同版本的 Linux 和其他的開源操作系統(tǒng)；它還能鏈?zhǔn)郊虞d專有操作系統(tǒng)的引導(dǎo)記錄。

GRUB 允許用戶從任何給定的 Linux 發(fā)行版本的幾個不同內(nèi)核中選擇一個進(jìn)行引導(dǎo)。這個特性使得操作系統(tǒng)，在因?yàn)殛P(guān)鍵軟件不兼容或其它某些原因升級失敗時，具備引導(dǎo)到先前版本的內(nèi)核的能力。GRUB 能夠通過文件 /boot/grub/grub.conf 進(jìn)行配置。（LCTT 譯注：此處指 GRUB1）

GRUB1 現(xiàn)在已經(jīng)逐步被棄用，在大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)行版上它已經(jīng)被 GRUB2 所替換，GRUB2 是在 GRUB1 的基礎(chǔ)上重寫完成。基于 Red Hat 的發(fā)行版大約是在 Fedora 15 和 CentOS/RHEL 7 時升級到 GRUB2 的。GRUB2 提供了與 GRUB1 同樣的引導(dǎo)功能，但是 GRUB2 也是一個類似主框架（mainframe）系統(tǒng)上的基于命令行的前置操作系統(tǒng)（Pre-OS）環(huán)境，使得在預(yù)引導(dǎo)階段配置更為方便和易操作。GRUB2 通過 /boot/grub2/grub.cfg 進(jìn)行配置。

兩個 GRUB 的最主要作用都是將內(nèi)核加載到內(nèi)存并運(yùn)行。兩個版本的 GRUB 的基本工作方式一致，其主要階段也保持相同，都可分為 3 個階段。在本文將以 GRUB2 為例進(jìn)行討論其工作過程。GRUB 或 GRUB2 的配置，以及 GRUB2 的命令使用均超過本文范圍，不會在文中進(jìn)行介紹。

雖然 GRUB2 并未在其三個引導(dǎo)階段中正式使用這些階段名詞，但是為了討論方便，我們在本文中使用它們。

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階段 1

如上文 POST（上電自檢）階段提到的，在 POST 階段結(jié)束時，BIOS 將查找在接入的磁盤中查找引導(dǎo)記錄，其通常位于 MBR（主引導(dǎo)記錄），它加載它找到的第一個引導(dǎo)記錄中到內(nèi)存中，并開始執(zhí)行此代碼。引導(dǎo)代碼（及階段 1 代碼）必須非常小，因?yàn)樗仨氝B同分區(qū)表放到硬盤的第一個 512 字節(jié)的扇區(qū)中。 在傳統(tǒng)的常規(guī) MBR 中，引導(dǎo)代碼實(shí)際所占用的空間大小為 446 字節(jié)。這個階段 1 的 446 字節(jié)的文件通常被叫做引導(dǎo)鏡像（boot.img），其中不包含設(shè)備的分區(qū)信息，分區(qū)是一般單獨(dú)添加到引導(dǎo)記錄中。

由于引導(dǎo)記錄必須非常的小，它不可能非常智能，且不能理解文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此階段 1 的唯一功能就是定位并加載階段 1.5 的代碼。為了完成此任務(wù)，階段 1.5 的代碼必須位于引導(dǎo)記錄與設(shè)備第一個分區(qū)之間的位置。在加載階段 1.5 代碼進(jìn)入內(nèi)存后，控制權(quán)將由階段 1 轉(zhuǎn)移到階段 1.5。

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階段 1.5

如上所述，階段 1.5 的代碼必須位于引導(dǎo)記錄與設(shè)備第一個分區(qū)之間的位置。該空間由于歷史上的技術(shù)原因而空閑。第一個分區(qū)的開始位置在扇區(qū) 63 和 MBR（扇區(qū) 0）之間遺留下 62 個 512 字節(jié)的扇區(qū)（共 31744 字節(jié)），該區(qū)域用于存儲階段 1.5 的代碼鏡像 core.img 文件。該文件大小為 25389 字節(jié)，故此區(qū)域有足夠大小的空間用來存儲 core.img。

因?yàn)橛懈蟮拇鎯臻g用于階段 1.5，且該空間足夠容納一些通用的文件系統(tǒng)驅(qū)動程序，如標(biāo)準(zhǔn)的 EXT 和其它的 Linux 文件系統(tǒng)，如 FAT 和 NTFS 等。GRUB2 的 core.img 遠(yuǎn)比更老的 GRUB1 階段 1.5 更復(fù)雜且更強(qiáng)大。這意味著 GRUB2 的階段 2 能夠放在標(biāo)準(zhǔn)的 EXT 文件系統(tǒng)內(nèi)，但是不能放在邏輯卷內(nèi)。故階段 2 的文件可以存放于 /boot 文件系統(tǒng)中，一般在 /boot/grub2 目錄下。

注意 /boot 目錄必須放在一個 GRUB 所支持的文件系統(tǒng)（并不是所有的文件系統(tǒng)均可）。階段 1.5 的功能是開始執(zhí)行存放階段 2 文件的 /boot 文件系統(tǒng)的驅(qū)動程序，并加載相關(guān)的驅(qū)動程序。

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階段 2

GRUB 階段 2 所有的文件都已存放于 /boot/grub2 目錄及其幾個子目錄之下。該階段沒有一個類似于階段 1 與階段 1.5 的鏡像文件。相應(yīng)地，該階段主要需要從 /boot/grub2/i386-pc 目錄下加載一些內(nèi)核運(yùn)行時模塊。

GRUB 階段 2 的主要功能是定位和加載 Linux 內(nèi)核到內(nèi)存中，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到內(nèi)核。內(nèi)核的相關(guān)文件位于 /boot 目錄下，這些內(nèi)核文件可以通過其文件名進(jìn)行識別，其文件名均帶有前綴 vmlinuz。你可以列出 /boot 目錄中的內(nèi)容來查看操作系統(tǒng)中當(dāng)前已經(jīng)安裝的內(nèi)核。

GRUB2 跟 GRUB1 類似，支持從 Linux 內(nèi)核選擇之一引導(dǎo)啟動。Red Hat 包管理器（DNF）支持保留多個內(nèi)核版本，以防最新版本內(nèi)核發(fā)生問題而無法啟動時，可以恢復(fù)老版本的內(nèi)核。默認(rèn)情況下，GRUB 提供了一個已安裝內(nèi)核的預(yù)引導(dǎo)菜單，其中包括問題診斷菜單（recuse）以及恢復(fù)菜單（如果配置已經(jīng)設(shè)置恢復(fù)鏡像）。

階段 2 加載選定的內(nèi)核到內(nèi)存中，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到內(nèi)核代碼。

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內(nèi)核

內(nèi)核文件都是以一種自解壓的壓縮格式存儲以節(jié)省空間，它與一個初始化的內(nèi)存映像和存儲設(shè)備映射表都存儲于 /boot 目錄之下。

在選定的內(nèi)核加載到內(nèi)存中并開始執(zhí)行后，在其進(jìn)行任何工作之前，內(nèi)核文件首先必須從壓縮格式解壓自身。一旦內(nèi)核自解壓完成，則加載 systemd 進(jìn)程（其是老式 System V 系統(tǒng)的 init 程序的替代品)，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到 systemd。

這就是引導(dǎo)過程的結(jié)束。此刻，Linux 內(nèi)核和 systemd 處于運(yùn)行狀態(tài)，但是由于沒有其他任何程序在執(zhí)行，故其不能執(zhí)行任何有關(guān)用戶的功能性任務(wù)。

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啟動過程

啟動過程緊隨引導(dǎo)過程之后，啟動過程使 Linux 系統(tǒng)進(jìn)入可操作狀態(tài)，并能夠執(zhí)行用戶功能性任務(wù)。

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systemd

systemd 是所有進(jìn)程的父進(jìn)程。它負(fù)責(zé)將 Linux 主機(jī)帶到一個用戶可操作狀態(tài)（可以執(zhí)行功能任務(wù)）。systemd 的一些功能遠(yuǎn)較舊式 init 程序更豐富，可以管理運(yùn)行中的 Linux 主機(jī)的許多方面，包括掛載文件系統(tǒng)，以及開啟和管理 Linux 主機(jī)的系統(tǒng)服務(wù)等。但是 systemd 的任何與系統(tǒng)啟動過程無關(guān)的功能均不在此文的討論范圍。

首先，systemd 掛載在 /etc/fstab 中配置的文件系統(tǒng)，包括內(nèi)存交換文件或分區(qū)。據(jù)此，systemd 必須能夠訪問位于 /etc 目錄下的配置文件，包括它自己的。systemd 借助其配置文件 /etc/systemd/system/default.target 決定 Linux 系統(tǒng)應(yīng)該啟動達(dá)到哪個狀態(tài)（或目標(biāo)態(tài)）。default.target 是一個真實(shí)的 target 文件的符號鏈接。對于桌面系統(tǒng)，其鏈接到 graphical.target，該文件相當(dāng)于舊式 systemV init 方式的 runlevel 5。對于一個服務(wù)器操作系統(tǒng)來說，default.target 更多是默認(rèn)鏈接到 multi-user.target， 相當(dāng)于 systemV 系統(tǒng)的 runlevel 3。 emergency.target 相當(dāng)于單用戶模式。

（譯注：“target” 是 systemd 新引入的概念，目前尚未發(fā)現(xiàn)有官方的準(zhǔn)確譯名，考慮到其作用和使用的上下文環(huán)境，我們認(rèn)為翻譯為“目標(biāo)態(tài)”比較貼切。以及，“unit” 是指 systemd 中服務(wù)和目標(biāo)態(tài)等各個對象/文件，在此依照語境譯作“單元”。）

注意，所有的目標(biāo)態(tài)和服務(wù)均是 systemd 的單元。

如下表 1 是 systemd 啟動的目標(biāo)態(tài)和老版 systemV init 啟動運(yùn)行級別的對比。這個 systemd 目標(biāo)態(tài)別名 是為了 systemd 向前兼容 systemV 而提供。這個目標(biāo)態(tài)別名允許系統(tǒng)管理員（包括我自己）用 systemV 命令（例如 init 3）改變運(yùn)行級別。當(dāng)然，該 systemV 命令是被轉(zhuǎn)發(fā)到 systemd 進(jìn)行解釋和執(zhí)行的。

SystemV 運(yùn)行級別systemd 目標(biāo)態(tài)systemd 目標(biāo)態(tài)別名描述?halt.target?停止系統(tǒng)運(yùn)行但不切斷電源。0poweroff.targetrunlevel0.target停止系統(tǒng)運(yùn)行并切斷電源.Semergency.target?單用戶模式，沒有服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行，文件系統(tǒng)也沒掛載。這是一個最基本的運(yùn)行級別，僅在主控制臺上提供一個 shell 用于用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互。1rescue.targetrunlevel1.target掛載了文件系統(tǒng)，僅運(yùn)行了最基本的服務(wù)進(jìn)程的基本系統(tǒng)，并在主控制臺啟動了一個 shell 訪問入口用于診斷。2?runlevel2.target多用戶，沒有掛載 NFS 文件系統(tǒng)，但是所有的非圖形界面的服務(wù)進(jìn)程已經(jīng)運(yùn)行。3multi-user.targetrunlevel3.target所有服務(wù)都已運(yùn)行，但只支持命令行接口訪問。4?runlevel4.target未使用。5graphical.targetrunlevel5.target多用戶，且支持圖形界面接口。6reboot.targetrunlevel6.target重啟。?default.target?這個目標(biāo)態(tài)target是總是?multi-user.target?或?graphical.target?的一個符號鏈接的別名。systemd 總是通過?default.target?啟動系統(tǒng)。default.target?絕不應(yīng)該指向?halt.target、?poweroff.target?或?reboot.target。

表 1 老版本 systemV 的 運(yùn)行級別與 systemd 與目標(biāo)態(tài)或目標(biāo)態(tài)別名的比較

每個目標(biāo)態(tài)有一個在其配置文件中描述的依賴集，systemd 需要首先啟動其所需依賴，這些依賴服務(wù)是 Linux 主機(jī)運(yùn)行在特定的功能級別所要求的服務(wù)。當(dāng)配置文件中所有的依賴服務(wù)都加載并運(yùn)行后，即說明系統(tǒng)運(yùn)行于該目標(biāo)級別。

systemd 也會查看老式的 systemV init 目錄中是否存在相關(guān)啟動文件，若存在，則 systemd 根據(jù)這些配置文件的內(nèi)容啟動對應(yīng)的服務(wù)。在 Fedora 系統(tǒng)中，過時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)就是通過該方式啟動的一個實(shí)例。

如下圖 1 是直接從 bootup 的 man 頁面拷貝而來。它展示了在 systemd 啟動過程中一般的事件序列和確保成功的啟動的基本的順序要求。

sysinit.target 和 basic.target 目標(biāo)態(tài)可以被視作啟動過程中的狀態(tài)檢查點(diǎn)。盡管 systemd 的設(shè)計初衷是并行啟動系統(tǒng)服務(wù)，但是部分服務(wù)或功能目標(biāo)態(tài)是其它服務(wù)或目標(biāo)態(tài)的啟動的前提。系統(tǒng)將暫停于檢查點(diǎn)直到其所要求的服務(wù)和目標(biāo)態(tài)都滿足為止。

sysinit.target 狀態(tài)的到達(dá)是以其所依賴的所有資源模塊都正常啟動為前提的，所有其它的單元，如文件系統(tǒng)掛載、交換文件設(shè)置、設(shè)備管理器的啟動、隨機(jī)數(shù)生成器種子設(shè)置、低級別系統(tǒng)服務(wù)初始化、加解密服務(wù)啟動（如果一個或者多個文件系統(tǒng)加密的話）等都必須完成，但是在 sysinit.target 中這些服務(wù)與模塊是可以并行啟動的。

sysinit.target 啟動所有的低級別服務(wù)和系統(tǒng)初具功能所需的單元，這些都是進(jìn)入下一階段 basic.target 的必要前提。

圖 1：systemd 的啟動流程

在 sysinit.target 的條件滿足以后，systemd 接下來啟動 basic.target，啟動其所要求的所有單元。 basic.target 通過啟動下一目標(biāo)態(tài)所需的單元而提供了更多的功能，這包括各種可執(zhí)行文件的目錄路徑、通信 sockets，以及定時器等。

最后，用戶級目標(biāo)態(tài)（multi-user.target 或 graphical.target） 可以初始化了，應(yīng)該注意的是 multi-user.target 必須在滿足圖形化目標(biāo)態(tài) graphical.target 的依賴項(xiàng)之前先達(dá)成。

圖 1 中，以 * 開頭的目標(biāo)態(tài)是通用的啟動狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)其中的某一目標(biāo)態(tài)，則說明系統(tǒng)已經(jīng)啟動完成了。如果 multi-user.target 是默認(rèn)的目標(biāo)態(tài)，則成功啟動的系統(tǒng)將以命令行登錄界面呈現(xiàn)于用戶。如果 graphical.target 是默認(rèn)的目標(biāo)態(tài)，則成功啟動的系統(tǒng)將以圖形登錄界面呈現(xiàn)于用戶，界面的具體樣式將根據(jù)系統(tǒng)所配置的顯示管理器而定。

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故障討論

最近我需要改變一臺使用 GRUB2 的 Linux 電腦的默認(rèn)引導(dǎo)內(nèi)核。我發(fā)現(xiàn)一些 GRUB2 的命令在我的系統(tǒng)上不能用，也可能是我使用方法不正確。至今，我仍然不知道是何原因?qū)е?，此問題需要進(jìn)一步探究。

grub2-set-default 命令沒能在配置文件 /etc/default/grub 中成功地設(shè)置默認(rèn)內(nèi)核索引，以至于期望的替代內(nèi)核并沒有被引導(dǎo)啟動。故在該配置文件中我手動更改 GRUB_DEFAULT=saved 為 GRUB_DEFAULT=2，2 是我需要引導(dǎo)的安裝好的內(nèi)核文件的索引。然后我執(zhí)行命令 grub2-mkconfig > /boot/grub2/grub.cfg 創(chuàng)建了新的 GRUB 配置文件，該方法如預(yù)期的規(guī)避了問題，并成功引導(dǎo)了替代的內(nèi)核。

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結(jié)論

GRUB2、systemd 初始化系統(tǒng)是大多數(shù)現(xiàn)代 Linux 發(fā)行版引導(dǎo)和啟動的關(guān)鍵組件。盡管在實(shí)際中，systemd 的使用還存在一些爭議，但是 GRUB2 與 systemd 可以密切地配合先加載內(nèi)核，然后啟動一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)服務(wù)。

盡管 GRUB2 和 systemd 都比其前任要更加復(fù)雜，但是它們更加容易學(xué)習(xí)和管理。在 man 頁面有大量關(guān)于 systemd 的幫助說明，freedesktop.org 也在線收錄了完整的此幫助說明（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/index.html）。下面有更多相關(guān)信息鏈接。

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附加資源

GNU GRUB（https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_GRUB） (Wikipedia)

GNU GRUB Manual（https://www.gnu.org/software/grub/manual/grub.html） (GNU.org)

Master Boot Record（https://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record） (Wikipedia)

Multiboot specification（https://en.wikipedia.org/wiki/Multiboot_Specification） (Wikipedia)

systemd（https://en.wikipedia.org/wiki/Systemd） (Wikipedia)

systemd bootup process（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/bootup.html） (Freedesktop.org)

systemd index of man pages（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/index.html） (Freedesktop.org)

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