Linux是如何启动的
概述
Linux启动过程主要分为以下几个阶段：
- BIOS/UEFI启动
- Boot Device引导
- Boot Loader执行
- 内核引导
- 用户空间初始化，驱动程序加载、内核模块加载、启动1号进程，并由其启动其他用户空间进程
具体的启动过程如下图所示：
BIOS/UEFI启动
BIOS是一种固化在计算机主板上的固件，用于初始化硬件设备、加载引导程序并启动操作系统。UEFI是BIOS的替代品，提供了更多的功能和更好的兼容性。
BIOS/UEFI启动过程主要包括以下几个步骤：
- 加电自检（Power-On Self-Test，POST）：计算机加电后，BIOS/UEFI会进行硬件自检，检查硬件设备是否正常。
- 加载引导程序：BIOS/UEFI会从硬盘、光盘、USB等设备中加载引导程序，将控制权交给引导程序。
BIOS/UEFI对比
| 对比维度 | BIOS | UEFI |
|---|---|---|
| 架构与运行模式 | 基于16位实模式，仅支持32位处理器，代码以汇编语言编写 | 基于64位保护模式，支持32/64位处理器，模块化设计，代码以C语言编写 |
| 启动方式 | 依赖MBR分区表（最大支持2TB硬盘），需完整硬件自检（POST），速度较慢 | 支持GPT分区表（支持超2TB硬盘），并行加载驱动和内核，跳过硬件自检，启动更快 |
| 用户界面 | 仅支持文本界面，通过键盘操作 | 提供图形化界面，支持鼠标操作和高级交互 |
| 安全性 | 无安全启动功能，易受引导区病毒攻击 | 支持安全启动（Secure Boot），验证数字签名防止恶意软件加载 |
| 兼容性 | 仅兼容旧操作系统（如Windows 7及更早版本） | 支持现代操作系统（Windows 8+/Linux等），提供CSM模式兼容Legacy BIOS |
| 分区管理 | 最多4个主分区（或3主分区+1扩展分区） | 支持GPT分区表，理论上无分区数量限制，支持更大容量存储 |
| 驱动支持 | 依赖操作系统加载驱动，启动后硬件功能才可用 | 固件级别加载驱动，操作系统启动前即可使用硬件功能（如网络启动PXE） |
| 扩展性 | 存储空间有限（通常≤64KB），功能扩展困难 | 固件存储空间更大，支持模块化更新和扩展功能（如远程诊断） |
| 典型应用场景 | 旧硬件设备、传统系统维护场景 | 现代计算机、大容量存储设备、安全敏感型系统 |
Boot Device引导
引导设备是存储引导程序的设备，可以是硬盘、光盘、USB等。BIOS/UEFI会从引导设备中加载引导程序，将控制权交给引导程序。
那么引导的位置在哪儿呢？这个问题涉及到硬盘的分区表格式：
- MBR（Master Boot Record）：MBR是硬盘的第一个扇区，大小为512字节，包含分区表和引导程序。
- GPT（GUID Partition Table）：GPT是一种新的分区表格式，支持更大的硬盘容量和更多的分区，引导程序通常存储在EFI系统分区中。
对于MBR格式的硬盘，引导程序通常存储在硬盘的第一个扇区（MBR区）中。对于GPT格式的硬盘，引导程序通常存储在EFI系统分区中。
Boot Loader执行
引导程序（Boot Loader）是一个小程序，用于加载操作系统内核并启动操作系统。最常见的引导程序是GRUB。
引导程序的主要功能包括：
- 加载内核：引导程序会从硬盘中加载操作系统内核到内存中。
- 启动内核：引导程序会将控制权交给内核，启动操作系统。
内核引导
内核引导是操作系统内核的启动过程，主要包括以下几个步骤：
- 内核初始化：内核会初始化硬件设备、建立内存映射等。
- 启动用户空间：内核会启动用户空间的初始化进程（1号进程）。
用户空间初始化
用户空间初始化是操作系统启动后的第一个用户空间进程，主要负责加载驱动程序、内核模块、初始化用户空间环境等。
用户空间初始化的主要工作包括：
- 加载驱动程序：用户空间初始化会加载硬件驱动程序，使硬件设备可以正常工作。
- 加载内核模块：用户空间初始化会加载内核模块，扩展内核功能。
- 启动1号进程：用户空间初始化会启动1号进程（init进程），并由1号进程启动其他用户空间进程。
1号进程
1号进程是用户空间初始化的第一个进程，通常是init进程或systemd进程。1号进程负责启动其他用户空间进程，维护系统运行状态等。
systemd是目前主流的1号进程，它是一个系统和服务管理器，负责启动和管理系统服务、进程和资源。systemd提供了更多的功能和更好的性能，逐渐取代了传统的init进程。
总结
Linux启动过程主要分为BIOS/UEFI启动、Boot Device引导、Boot Loader执行、内核引导、用户空间初始化等阶段。在这些阶段中，BIOS/UEFI负责硬件初始化和引导程序加载，Boot Loader负责加载内核和启动操作系统，内核负责初始化硬件设备和启动用户空间，用户空间初始化负责加载驱动程序、内核模块和启动其他用户空间进程。整个启动过程是一个层层递进的过程，每个阶段都有其特定的功能和作用，最终实现了操作系统的启动和运行。