10.Linux 系统启动原理

Linux 系统启动原理

一、基础启动阶段（硬件到内核加载）

1. 1. 开机自检（BIOS）
   • 按下电源后，计算机首先执行 BIOS（基本输入输出系统） 程序，作用是检测内存、CPU、硬盘等硬件是否正常，确保硬件具备启动条件，是启动流程的 “硬件体检环节”。
2. 2. MBR 引导
   • BIOS 完成自检后，会读取硬盘 MBR（主引导记录） 分区的引导程序。MBR 是硬盘的第一个扇区，负责找到并加载系统分区的启动文件，是 “硬件与系统的衔接点”。
3. 3. GRUB 菜单
   • MBR 引导后，进入 GRUB（Grand Unified Bootloader） 启动菜单，可选择不同内核版本（多内核环境下），决定加载哪个 Linux 内核（kernel），是 “内核选择环节”。
4. 4. 加载内核（kernel）
   • GRUB 选定内核后，将 Linux 内核 加载到内存，内核开始接管系统，负责硬件驱动、进程管理等核心功能，是 “系统核心启动点”。

二、初始化与服务启动（systemd 主导）

1. 5. 运行 systemd 进程
   • 内核加载完成后，启动 systemd 进程（Linux 系统的第一个进程，PID=1），它是现代 Linux 系统的 “初始化守护进程”，统一管理系统启动、服务、关机等流程。
2. 6. 根据 target 选择启动级别
   • systemd 通过 /etc/systemd/system/default.target 文件，决定系统进入哪种 启动级别（target） 。target 是 systemd 对 “运行模式” 的定义（类似传统 SysVinit 的运行级别），比如 multi-user.target（多用户命令行模式）、graphical.target（图形界面模式）。
3. 7. 系统初始化脚本
   • 依据 target，systemd 会执行 /usr/lib/systemd/system/sysinit.target 关联的初始化脚本，完成系统基础配置（如挂载文件系统、设置环境变量等）。
4. 8. 定义开机启动服务
   • systemd 读取 /etc/systemd/system 目录下的配置，加载并启动 开机服务（如网络服务、数据库服务等），这些服务以 .service 文件定义，决定系统启动后自动运行哪些程序。
5. 9. 启动 mingetty 进程
   • 最后，启动 mingetty（或类似终端进程），为用户提供命令行登录界面（字符终端环境）；如果是图形界面 target，会额外启动图形服务（如 Xorg、桌面环境）。

三、启动级别（target）说明

流程图左侧列出了常见的 systemd target 启动级别 ，对应不同运行场景：

• poweroff.target：关机模式（系统准备关机）。
• rescue.target：救援模式（单用户、基础环境，用于修复系统）。
• multi-user.target：多用户命令行模式（无图形界面，服务器常用）。
• graphical.target：图形界面模式（含多用户 + 图形环境，桌面系统常用）。
• reboot.target：重启模式（系统准备重启）。

Linux 系统的启动过程，就像一场精心编排的 “开机舞台剧”，每个角色按顺序登场，环环相扣，最终把系统从 “沉睡” 唤醒成 “待命” 状态。咱们一步步拆解这场 “演出”：

第一幕：电源接通 —— 硬件自检（BIOS/UEFI）

就像你早上被闹钟叫醒，先摸一摸自己：“胳膊腿还在不？脑子清醒不？”

• 电脑通电后，第一个 “说话” 的是BIOS/UEFI（相当于 “身体本能”），它会快速检查所有硬件：CPU、内存、硬盘、显卡…… 确认 “零件都在线，没坏”。
• 检查通过后，它会问：“系统装在哪块硬盘里？”（也就是找 “启动盘”，比如你设置的第一启动项是 SSD 还是机械硬盘）。找到后，就把 “接力棒” 交给硬盘的第一个特殊区域 ——MBR（主引导记录） 或 GPT 分区表（相当于硬盘上的 “启动指引牌”）。

第二幕：启动加载器登场（GRUB）

拿到接力棒的 MBR/GPT，会立刻喊出 “启动加载器”——GRUB（相当于 “管家”）。

• GRUB 会在屏幕上显示启动菜单（比如让你选 “正常启动 Linux” 还是 “进入救援模式”），就像管家问你：“今天想按哪种方式启动系统呀？”
• 你选好后，GRUB 会找到 Linux 的 “核心程序”——内核（vmlinuz） 和 “初始化内存盘”（initramfs），把它们加载到内存里。这一步就像管家帮你把 “系统核心工具包” 搬到桌子上，方便后续操作。

第三幕：内核 “掌权”—— 初始化硬件

内核被唤醒后，立刻接管系统，相当于 “新官上任”，先熟悉 “手下的兵”：

• 内核会启动自己的 “驱动程序”，识别并管理所有硬件（硬盘、网卡、鼠标等），就像新市长上任先摸清城市里的道路、水电、通讯设施。
• 然后，内核会把 “初始化内存盘” 里的临时工具释放掉（因为硬件已经识别完了，临时工具没用了），并找到根目录（/）所在的分区，准备进入下一步。

第四幕：初始化系统 —— 搭建运行环境（systemd）

内核准备好后，会启动第一个 “系统服务总管”——systemd（相当于 “大管家”，负责统筹所有服务）。

• systemd 的工作是 “搭建舞台”：启动网络服务、挂载硬盘分区、启动防火墙、设置时区…… 就像演唱会前，工作人员要接好电线、调好音响、摆好座椅，确保观众（用户）进来时一切就绪。
• 它会按 “优先级” 启动各种服务：先启动最基础的（比如文件系统挂载），再启动次要的（比如数据库、Web 服务），还会在屏幕上显示启动进度（就是你看到的那些 [OK] 或 [Failed] 的提示）。

第五幕：登录界面 —— 等待用户登场

当 systemd 把所有必要服务都启动完，就会启动 “登录管理器”（比如 gdm、lightdm），弹出用户名密码输入框，相当于 “舞台灯光亮起，等待观众入场”。

• 你输入密码登录后，就能看到桌面或命令行界面，此时整个系统完全启动，就像演唱会正式开始，你可以 “指挥” 系统干活了（打开软件、运行程序等）。

总结一下：

整个过程就像：
被闹钟叫醒（BIOS 自检）→ 找到衣服（GRUB 选内核）→ 穿好衣服（内核启动）→ 收拾房间（systemd 初始化）→ 开门迎客（登录界面）
每一步都缺一不可，任何一个环节出错（比如硬件坏了、GRUB 配置错了），“演出” 就会中断，系统也就启动失败啦～

系统 target

在 Linux 系统中，“系统 target”（systemd target）可以理解为 “系统状态的‘预设场景模式’”，就像手机里的 “飞行模式”“静音模式”“省电模式”—— 每种模式对应一组特定的服务组合，切换 target 就相当于切换系统的 “工作状态”。

为什么需要 target？

想象一下：你的电脑有时需要 “正常办公”（启动所有服务），有时需要 “临时修复故障”（只启动核心服务），有时需要 “关机休息”。总不能每次都手动一个个开 / 关服务吧？
systemd 用 target 把这些场景 “打包”，每个 target 关联了一堆服务（比如网络服务、桌面服务、登录服务等），切换 target 时，系统会自动启动 / 停止对应的服务，快速进入指定状态。

常见的 target 就像 “生活场景”：

• graphical.target（图形界面模式）
  相当于 “家庭娱乐模式”：启动显卡驱动、桌面环境（GNOME/KDE）、鼠标键盘支持、网络服务…… 适合普通用户日常操作，就像打开电视、音响、游戏机，全家可以轻松用电脑。
• multi-user.target（多用户命令行模式）
  相当于 “办公高效模式”：只启动命令行界面、网络服务、SSH 远程登录等核心功能，不加载图形界面（省资源）。适合服务器或需要远程管理的场景，就像办公室只开电脑主机和显示器，不接音箱、打印机，专注处理数据。
• rescue.target（救援模式）
  相当于 “急诊室模式”：只启动最基础的服务（比如命令行、硬盘挂载），关闭大部分复杂功能。当系统出问题（比如启动失败、配置错误），可以进入这里排查修复，就像人生病了去急诊，只做必要的检查和治疗。
• poweroff.target（关机模式）
  相当于 “睡眠模式”：系统会逐步停止所有服务，断开硬件连接，最后切断电源，让电脑 “休息”。

target 之间的关系：就像 “模式套娃”

有些 target 会 “包含” 其他 target，比如 graphical.target 会自动包含 multi-user.target（先启动命令行基础，再叠加图形界面），而 multi-user.target 又会包含更基础的 basic.target（基础服务）。
这就像 “豪华套餐” 里包含 “标准套餐”，“标准套餐” 里包含 “基础套餐”，一层套一层，确保服务启动有序。

如何切换 target？

用 systemctl 命令就像 “切换模式按钮”：

• 想进入图形界面：systemctl isolate graphical.target
• 想切换到命令行：systemctl isolate multi-user.target
• 想关机：systemctl isolate poweroff.target（其实就是 poweroff 命令的底层原理）

简单说，systemd target 就是 Linux 系统的 “状态快捷方式”，让系统能根据需求快速切换到合适的工作模式，既灵活又高效～

systemd使用类型为target的单元来分组不同单元，例如multi-user.target包涵chronyd.service、crond.service、firewalld.service等服务。

target还可以包涵其他target，例如graphical.target包涵multi-user.target，multi-user.target包涵basic.target，basic.target包涵sysinit.target。

使用以下命令查看target之间依赖关系

[root@centos7 ~ 16:34:25]# systemctl list-dependencies graphical.target 
graphical.target
● ├─accounts-daemon.service
● ├─gdm.service
● ├─initial-setup-reconfiguration.service
● ├─network.service
● ├─rtkit-daemon.service
● ├─systemd-readahead-collect.service
● ├─systemd-readahead-replay.service
● ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
● ├─udisks2.service
● └─multi-user.target
●   ├─abrt-ccpp.service
●   ├─abrt-oops.service
●   ├─abrt-vmcore.service
●   ├─abrt-xorg.service
●   ├─abrtd.service
●   ├─atd.service
●   ├─auditd.service
●   ├─avahi-daemon.service
●   ├─chronyd.service# 查看反向依赖
[root@centos7 ~ 16:36:19]# systemctl list-dependencies sshd.servive --reverse
sshd.servive.service

设置系统当前运行 target

[root@centos7 ~ 16:36:29]# systemctl isolate multi-user.target 
[root@centos7 ~ 16:38:00]# systemctl isolate graphical.target #设置系统开机默认运行 target
[root@centos7 ~ 16:38:29]# systemctl get-default
graphical.target
[root@centos7 ~ 16:39:31]# systemctl set-default multi-user.target 
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.

系统启动级别

CentOS 6 之前使用启动级别控制系统开机激活哪些服务。CentOS 7 使用target控制系统开机激活哪些服务。

runlevel	target	作用
0		关机，init 0 同 poweroff 和systemctl poweroff
1	emergency.target rescue.target	单用户模式、救援模式和紧急模式用于修复系统
2		多用户文本界面，不具备NFS功能
3	multi-user.target	多用户文本界面
4		未使用
5	graphical.target	多用户图形界面
6		重启，init 6 同 reboot 和systemctl reboot

重置 ROOT 密码

方法1：rd.break

1. 重新启动系统。

2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。

3. 将光标移至要启动的内核条目。

4. 按e编辑选定的条目。

5. 将光标移到内核命令行（以linux开头的行）。附加 rd.break。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断。

6. 按Ctrl+x使用这些更改进行启动。

7. 此时，系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/sysroot。

   以读/写形式重新挂载/sysroot。

   switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot
   

8. 切换root位置，把/sysroot做为文件系统树的根。

   switch_root:/# chroot /sysroot
   

9. 设置新root密码。

   sh-4.4# echo ‘’ | passwd --stdin root
   

方法2：init=/bin/bash

1. 重新启动系统。

2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。

3. 将光标移至要启动的内核条目。

4. 按e编辑选定的条目。

5. 将光标移到内核命令行（以linux开头的行）。

6. 附加 init=/bin/bash。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断，请开启一个root shell。

7. 按Ctrl+x使用这些更改进行启动。

8. 此时，系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/。

9. 以读/写形式重新挂载/。

   bash-4.4# mount -o remount,rw /
   

10. 使用以下命令删除root密码，等进入系统后再重新设置root密码。

    sh-4.4# passwd -d root
    

    此时还可以使用vi编辑器直接编辑/etc/shadow文件，复制已知用户的密码记录替换root密码。

11. 如果系统开启了SELinux功能，则需要确保所有未标记的文件（包括此时的/etc/shadow)在启动过程中都会重新获得标记。

    sh-4.4# touch /.autorelabel
    

12. 执行以下命令，系统将继续启动，执行完整的SELinux重新标记，然后再次重新启动。

    sh-4.4# exec /usr/lib/systemd/systemd
    

13. 使用root登录，此时不需要密码，使用 passwd 命令设置新的密码。

/etc/fstab 引起的系统启动问题

环境准备

[root@server ~ 10:03:57]# mkdir -p /data01
[root@server ~ 10:04:05]# echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0

故障1：挂载点不存在

环境准备

[root@server ~ 10:04:25]# umount /data01
[root@server ~ 10:04:40]# rmdir /data01

重启系统验证

# 可以正常进入系统，挂载点会被自动创建
[root@server ~ 10:06:42]# df -h /data01
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1       2.0G   33M  2.0G    2% /data01

故障2：设备名称写错或者找不到设备

环境准备

[root@server ~ 10:06:53]# vim /etc/fstab
# 将原先的sdb1修改为sdb2
[root@server ~ 10:14:28]# reboot

重启系统验证

1. 重新启动系统。

2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。

3. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。

4. 将光标移至以 linux16 开头的行，末尾附加rd.break 后回车。

5. 将硬盘挂载到 sysroot，并提供rw权限， mount -o remount,rw /sysroot

6. 以root方式进入，chroot /sysroot

7. 进入到 /etc/fstab,修改错误条目vi /sysroot,修改完成后保存并退出。

8. exit,退出后继续启动。

故障3：破坏文件系统

环境准备

[root@server ~ 10:38:40]# dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=1
记录了1+0 的读入
记录了1+0 的写出
1048576字节(1.0 MB)已复制，0.00119751 秒，876 MB/秒
[root@server ~ 10:41:48]# umount /data01
[root@server ~ 10:42:01]# mount /dev/sdb1 /data01
mount: 将 /dev/sdb1 挂载到 /data01 失败: 结构需要清理

重启系统验证

1. 重启系统
2. 以root方式进去
3. 执行以下命令修复
4. xfs_repair /dev/sdb1

#已成功挂载
[root@server ~ 10:46:49]# df -h /data01
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1       2.0G   33M  2.0G    2% /data01

grub2 配置

grub2 配置文件

grub2 的主要配置文件如下：

• /boot/grub2，grub2的主要配置文件所在目录，例如grub.cfg、grubenv、user.cfg。

• /etc/grub2.cfg

  • /etc/grub2.cfg 是指向 /boot/grub2/grub.cfg的软连接。

  • 不要直接修改/etc/grub2.cfg文件，该文件由系统自动生成。如果需要自定义这个文件，可以通过修改/etc/grub.d/中脚本和/etc/default/grub文件，然后通过grub2-mkconfig命令生成。

  使用efi启动方式的grub2配置文件是/etc/grub2-efi.cfg。

• /etc/grub.d/，该目录下存放多个数字开头的脚本，按照从小到大的顺序执行。例如00_header会调用/etc/default/grub配置文件来实现最基本的开机界面配置。

• /etc/default/grub，定义grub启动部分变量信息，例如grub启动菜单选择条目的超时时间，内核参数等。

• /boot/grub2/grubenv，设定默认启动条目。

grub 菜单超时时间

[root@server ~ 11:11:56]# vim /etc/default/grub
# 修改GRUB_TIMEOUT为10
GRUB_TIMEOUT=1
#生效grub2.cfg配置文件
[root@server ~ 11:14:17]# grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg
#重启

kernel 启动参数

[root@server ~ 11:16:48]# vim /etc/default/grub
# 修改GRUB_CMDLINE_LINUX，例如在最后添加参数console=ttyS0，导致不显示启动过程
GRUB_CMDLINE_LINUX="rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap rhgb quiet console=ttyS0"
[root@server ~ 11:18:20]# grub2-mkconfig -o /etc/grub.cfg
Generating grub configuration file ...
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-cc2e2154e9c04abb980000c98990a8bd
Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-cc2e2154e9c04abb980000c98990a8bd.img
done

grub 菜单加密

# 查看/etc/grub.d/01_users脚本
[root@server ~ 17:37:59]#  cat /etc/grub.d/01_users
#!/bin/sh -e
cat << EOF
if [ -f \${prefix}/user.cfg ]; thensource \${prefix}/user.cfgif [ -n "\${GRUB2_PASSWORD}" ]; thenset superusers="root"export superuserspassword_pbkdf2 root \${GRUB2_PASSWORD}fi
fi
EOF
[root@server ~ 17:37:59]# grub2-mkpasswd-pbkdf2 
Enter password: 123
Reenter password: 123
PBKDF2 hash of your password is grub.p......
# 创建文件
[root@server ~ 17:38:59]# vim /boot/grub2/user.cfg
GRUB2_PASSWORD=grub.....
# 生成grub2.cfg配置文件，重启验证

1. 启动菜单界面，按e编辑。

2. 输入用户名root，密码123

解除 grub 菜单加密:

使用光盘启动

1.开机从光盘启动，并选择Troubleshooting。

2.选择Rescue a Rocky Linux system

3.稍等片刻，进入选择界面，选择 1。搜索到系统后，提示系统已经挂载在/mnt/sysimage，按回车继续。

4.将文件移回去

mv http.xml /usr/lib/firewalld/services/http.xml

重启

 systemctl reload firewalld.service