8.2 启动与引导过程

我们每天开机的时候，计算机从按下电源键到进入操作系统桌面，中间经历了复杂的引导过程。理解系统的启动流程，有助于我们排查系统启动故障，理解操作系统的加载和初始化过程。

系统启动的完整流程

现代计算机从加电到操作系统启动完成，大致分为以下几个阶段：

加电 → BIOS/UEFI初始化 → POST自检 → 选择启动设备 → 加载引导加载程序 → 加载内核 → 内核初始化 → 启动用户空间服务 → 登录界面

下面我们详细讲解每个阶段。

阶段1：BIOS/UEFI初始化

按下电源键后，计算机首先会运行主板上固化的固件程序：BIOS或者UEFI。

BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）

BIOS是传统的固件接口，已经有几十年的历史：

• 存储在主板的ROM芯片中，计算机加电后首先运行
• 负责最基础的硬件初始化和自检
• 功能比较简单，使用16位模式，最大支持2.2TB的硬盘，MBR分区
• 现在新的主板已经逐渐淘汰BIOS，改用UEFI

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）

UEFI是BIOS的替代者，是现代计算机的标准固件：

• 支持32位和64位模式，功能强大
• 支持最大9.4ZB的硬盘，GPT分区
• 图形界面，支持鼠标操作
• 支持安全启动（Secure Boot），防止恶意软件篡改引导过程
• 启动速度更快
• 兼容BIOS启动模式

POST上电自检（Power-On Self Test）

BIOS/UEFI运行后首先执行POST自检：

• 检查CPU、内存、硬盘、显卡等硬件是否正常
• 如果硬件有故障，主板会发出蜂鸣声报错，屏幕显示错误信息
• 自检通过后，初始化基本的硬件驱动（显卡、硬盘、键盘等）

选择启动设备

自检完成后，BIOS/UEFI会根据用户设置的启动顺序（U盘优先、硬盘优先、光驱优先等），尝试从对应的启动设备启动。

• 每个启动设备的第一个扇区（512字节）是引导扇区，如果最后两个字节是0x55AA，说明这个设备是可引导的
• BIOS/UEFI会把引导扇区的内容加载到内存，然后跳转到这个位置执行，把控制权交给引导加载程序

阶段2：引导加载程序（Boot Loader）

引导加载程序（Boot Loader）的作用是加载操作系统内核到内存，然后启动内核。

常见的引导加载程序

1. GRUB（GRand Unified Bootloader）：Linux系统最常用的引导加载程序，功能强大，支持多系统启动，可以引导Linux、Windows等系统
2. Windows Boot Manager：Windows系统的引导加载程序
3. systemd-boot：轻量级的Linux引导加载程序，用于systemd管理的系统
4. UEFI Shell：UEFI自带的命令行Shell，可以手动执行引导命令

引导过程

以GRUB为例，引导加载程序的工作流程：

1. 阶段1：BIOS/UEFI加载GRUB的第一阶段代码（存储在MBR的前446字节），功能很简单，加载第二阶段的代码
2. 阶段1.5：加载文件系统驱动，这样就可以识别ext4等文件系统
3. 阶段2：加载/boot分区下的GRUB配置文件，显示启动菜单，让用户选择要启动的系统或者内核版本
4. 用户选择后，GRUB加载对应的内核文件和initramfs/initrd到内存
5. 跳转到内核入口点，把控制权交给内核

MBR vs GPT分区表

硬盘的分区表有两种格式：MBR和GPT，和BIOS/UEFI对应。

MBR（Master Boot Record，主引导记录）

• 传统的分区表格式，和BIOS配合使用
• 存储在硬盘的第一个扇区（512字节），其中：
  • 前446字节：引导加载程序代码
  • 接下来64字节：分区表，最多只能记录4个主分区
  • 最后2字节：魔数0x55AA，表示是可引导设备
• 最大支持2.2TB的硬盘，最多4个主分区（可以用扩展分区实现更多逻辑分区）
• 现在已经逐渐被GPT取代

GPT（GUID Partition Table，全局唯一标识分区表）

• 新一代的分区表格式，和UEFI配合使用
• 最多支持128个分区，没有主分区扩展分区的概念
• 最大支持9.4ZB的硬盘（1ZB=10亿TB）
• 有冗余备份，分区表在硬盘头尾各存一份，损坏后可以恢复
• 支持安全启动，更安全
• 是现在新硬盘的标准分区格式

initramfs/initrd

initramfs（初始RAM文件系统）是一个微型的根文件系统，打包在镜像中，和内核一起加载到内存：

• 包含了必要的驱动模块（硬盘驱动、文件系统驱动等）和工具
• 内核启动时首先挂载initramfs作为临时根文件系统
• 加载必要的驱动，然后挂载真实的根文件系统
• 切换到真实的根文件系统，启动init进程
• 作用：内核不需要包含所有硬件的驱动，减少内核体积，同时可以支持加载第三方驱动

阶段3：内核初始化

内核被加载到内存后，开始执行内核初始化：

1. 内存初始化：检测系统内存大小，初始化内存管理模块
2. 进程调度初始化：初始化调度器，创建0号 idle 进程和1号 init 进程
3. 设备初始化：扫描所有硬件设备，加载对应的驱动程序
4. 挂载根文件系统：根据引导参数指定的根分区，挂载真实的根文件系统
5. 启动init进程：把控制权交给用户空间的1号init进程，内核态初始化完成，进入用户空间启动阶段

阶段4：用户空间初始化

内核启动完成后，启动用户空间的第一个进程（PID=1），负责启动所有用户空间的服务和程序。

init进程

init进程是用户空间的第一个进程，所有其他用户进程都是它的子进程：

• 传统SysV init：旧的init系统，串行启动服务，速度慢
• systemd：现在主流Linux发行版的init系统，并行启动服务，速度快，功能强大
• launchd：macOS的init系统

以systemd为例，用户空间启动流程：

1. systemd作为1号进程启动，读取配置文件
2. 按照依赖关系并行启动系统服务：日志服务、网络服务、文件系统挂载、数据库、Web服务等
3. 启动图形界面或者登录服务，显示登录界面
4. 用户登录后启动桌面环境或者Shell，系统启动完成

不同操作系统的启动流程对比

Windows启动流程

1. UEFI/BIOS初始化，POST自检
2. 加载启动设备的EFI分区中的Windows Boot Manager
3. Windows Boot Manager读取BCD（启动配置数据），加载Windows内核（ntoskrnl.exe）
4. 内核初始化，加载驱动程序
5. 启动smss.exe（会话管理器）、csrss.exe（客户端运行时子系统）、wininit.exe等系统进程
6. 启动服务和登录界面，用户登录后启动explorer.exe资源管理器，进入桌面

macOS启动流程

1. 按下电源键，运行BootROM，初始化硬件，POST自检
2. 加载EFI引导程序，然后加载macOS内核
3. 内核初始化，加载驱动，启动launchd进程（PID=1）
4. launchd启动系统服务和代理程序
5. 启动登录窗口，用户登录后加载桌面环境

启动常见问题排查

1. 开机黑屏无反应：检查电源、硬件连接，POST自检失败，硬件故障
2. 提示找不到启动设备：检查启动顺序设置，硬盘是否损坏，引导扇区是否损坏
3. Grub Rescue模式：GRUB配置损坏，需要修复GRUB引导
4. 内核panic：内核启动失败，可能是内核损坏、驱动不兼容、硬件故障
5. 启动后卡住：查看系统日志，通常是某个服务启动失败，或者磁盘挂载错误

思考问题

1. BIOS和UEFI有什么区别？UEFI相比BIOS有哪些优势？
2. MBR和GPT分区表各有什么优缺点？为什么GPT逐渐取代了MBR？
3. initramfs的作用是什么？如果没有initramfs会怎么样？
4. 系统启动时如果显示“Operating System not found“，可能是什么原因？怎么排查？