通过前面几个章节，我们对Linux已经有了一些基本的概念，这个章节，会讲解一下Linux的整个启动过程，不过不会进行非常深入的分析，只是希望你在总体上对Linux启动过程有一个基本的了解，如果你看完本小节内容，却不是很明白，也没关系，继续往后看，随着逐步深入了解，在不时的回过头来看看本小结，或者就明白了。书有时候就要来回看，反复看，俗话说，读书百遍，其义自现，说的就是这个道理，对于这个道理，我自己也深有体会，我本科学的是建筑工程，也是一个很不错的专业，但就是没有兴趣，所以后来决定考计算机的研究生，然后就是自学，很多专业课，完全没有基础，看一遍根本就看不懂，然后就反反复复的看，每一遍都有新的收获，后来发现慢慢的，居然全部都看懂了，没有报任何辅导班，全都是自己学习的。
Linux的启动，主要包括固件初始化，引导加载程序的执行，Linux内核映像的加载和启动，以及文件系电脑统中各种脚本和守护程序的执行，最后就是图形桌面系统的启动（当然，也有很多Linux可能是不带图形系统的，这种情况通常启动到一个可以交互的命令行下面），总体步骤基本上就是这几个步骤，但实际是实现方式和技术，在Linux发展过程中，是在不断的变化和演进的。不同CPU硬件和架构，细节上也不台一样，在引导程序这边，比如X86的引导程序，目前使用的最多的是grub(早期还有LILO等)，而ARM架构，目前基本上都是用Uboot引导（早期还有ecos等）。另外比如当内核加载完毕后，开始启动Linux根文件系统时，不同的Linux发展阶段，也有不同的方式，总的来说，主要有以下三种：
SysvinitUpstartSystemd举例以Ubuntu的发展来看：
Ubuntu 6.10及以前版本使用Sysvinit。
Ubuntu 14.10及以前版本使用Upstart但是还留着Sysvinit并存。
Ubuntu 15.04开始预设使用Systemd，但是可以在开机选项选择使用Systemd或Upstart，但是不可同時使用Sysvinit或Upstart并存。
如今，最新的Linux发行版，都已经默认采用的systemd的系统启动方式。Upstart应该已经不见踪迹，Sysvinit历史悠久，直到今天，还有很多嵌入式Linux在采用这种方式来启动，因为它比较简单。所以，这几种方式，也没有绝对的好与坏，只有合适不合适，根据需要采用合适的启动方式。
所以接下来后续介绍中，upstart，就不介绍了，因为基本已经没有Linux在用了，Sysvinit启动方式，用的也比较少，我会简单介绍，而重点会介绍systemd机制，目前这种方式，使用最为广泛。
刚才也提到，不同系统，不同架构，启动方式也有差异，所以，这里以X86平台，Ubuntu 20.04为例来讲解整个启动过程，但不做深入分析，只是简单了解过程。其实X86 Linux的启动过程，都差不多。
第一步：开机自检，加载BIOS（针对X86，ARM等没有该步骤）第二步：Grub2（引导程序）引导（ARM平台通常使用uboot作为引导）第三步：加载和运行Linux 内核第四步：systemd机制启动文件系统(systemd是用户态第一个进程，有内核调用启动)第五步：通过systemd服务机器加载启动图形系统和系统登录linux系统启动过程
当我们打开计算机电源的时候，以前很多台式计算机随后会滴的一声响（现在笔记本好像不响），自检开始，这个过程中主要是检测我们的计算机硬件设备比如：CPU，内存，主板，显卡，CMOS等设备是否有故障存在，并完成硬件的初始化工作。
当你按下你机器上的电源键时，存储在主板 EEPROM 芯片中的固件初始化 (通电自检) 检查系统硬件资源的状态， 结束后，固件会搜索并加载位于第一块可用磁盘上的 MBR 或 EFI 分区的第一阶段引导程序，并把控制权交给引导程序。
MBR是一种老的方式，目前新的计算机基本上都采用EFI进行引导。这一块也是比较复杂的，但我觉得对于初学者，先不用去管，你只要知道，上电后，BIOS来完成硬件的检测，如果检测OK，就会调到grub引导程序，由grub来接替BIOS，开始下一步的启动工作。
第二步：Grub2（引导程序）引导对于使用 EFI/UEFI 方式的系统， UEFI 固件读取它的设置来决定从哪里启动哪个 UEFI 应用。（例如， EFI 分区位于哪块磁盘或分区）
接下来，加载并运行第二阶段引导程序(又名引导管理器)。GRUB[GRand Unified Boot] 是 Linux 中最常使用的引导管理器。今天大部分使用的系统中都能找到它两个中的其中一个版本。
grub也在经历不断的发展，目前基本使用的都是grub2这个版本。我这里也就不讲grub这个版本了，只讲grub2这个版本。
grub2引导程序有个配置文件，通常在/boot/grub/grub.cfg
grub引导程序就是考读取这个配置文件的信息，并依照此配置信息来启动Linux操作系统的。这个配置文件，最主要的就是告诉grub引导程序，使用哪个版本的内核启动，这个内核在哪里，文件名是什么。理论上，硬盘上是可以存在多个内核文件的，根据你的需要，在grub引导程序中指定你需要的内核进行引导即可。另外，在这个文件中，也可以指定需要传递给内核的参数，内核也是一个程序，在启动中，针对同一个内核，可以给他传递不同的参数，传递不同的参数，内核就可能有不同的行为。还有一个重要的作用，就是配置ramdisk，通常我们也叫initrd或者initramfs镜像，这个镜像其实是一个小型的Linux系统的根文件系统，因为他足够小，所以整个文件系统可以全部加载在内存中运行。这里，可能有人为问，我的Linux系统不是已经安装在硬盘上了吗？为什么这里还需要一个小型的，可以再内存中运行的Linux系统？
很好的问题。
我来说说我的理解，前面好像提到过驱动是运行在内核中的，不过Linux有个特点，虽然驱动运行的时候，是作为内核级别来运行的，但是，驱动本身既可以直接编译在内核中，也是可以编译成独立的模块文件的，在需要的时候加载到内核中去执行就可以，Linux内核有非常非常多的驱动，广泛的支持各种各样的硬件，编译在内核中的好处，就是grub加载内核后，跳转到内核执行时，驱动就可以执行起来了，但如果把所有驱动都编译到内核中，内核就会变得非常非常大，而且很多驱动可能是你不需要的，这样就浪费了很多资源。initrd 或者 initramfs 其实就是为了避免这个问题，把需要的一些基本驱动，初始化脚本等，做成一个小型的Linux系统，让内核先把这个小型的Linux启动起来，帮助完成硬件检测、必要的内核模块加载、以及发现挂载真正硬盘上的根目录文件系统需要的设备。比如，硬盘的驱动，跟文件系统的驱动，也是在initrd中作为模块插入和驱动的，只有驱动了硬盘，内核才能挂载硬盘上真正的Linux跟文件系统。
到那可能大家又有一个问题，既然一开始硬盘都没有驱动，那内核和initrd又是怎么运行起来的，其实，大家都知道，程序运行之前，是要加载到内存中的，当加载到内存中以后，运行的时候，其实就不需要硬盘了，除非你运行的程序需要读写硬盘上的资料。grub2引导程序有自带硬盘驱动，可以从硬盘上读取配置文件，然后找到内核和initrd，把他们加载到内核中，然后跳到内核在内存中的位置开始执行，并且告诉内核，初始化的initrd在哪里，这时候，grub的使命就完成了，内核就启动了，但内核要挂载真正的跟文件系统，还需要重新在内核中驱动硬盘，所以他会先执行initrd,让initrd来进行包括硬盘初始化在内的很多初始化工作，然后再正式切换到硬盘上的真正的根文件系统。
一旦真正的根目录文件系统启动，为了显示用户界面，内核就会执行系统和服务管理器（init 或 systemd，进程号 PID 一般为 1）开始普通用户态的引导程序。
下图就是grub.cfg配置文件的部分摘录内容
menuentry 'Ubuntu' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-simple-d047dd69-4d9e-454f-ae15-4f895f353014' { recordfail load_video gfxmode $linux_gfx_mode insmod gzio if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi insmod part_msdos insmod ext2 set root='hd0,msdos5' if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,msdos5 --hint-efi=hd0,msdos5 --hint-baremetal=ahci0,msdos5 d047dd69-4d9e-454f-ae15-4f895f353014 else search --no-floppy --fs-uuid --set=root d047dd69-4d9e-454f-ae15-4f895f353014 fi linux /boot/vmlinuz-5.15.0-53-generic root=UUID=d047dd69-4d9e-454f-ae15-4f895f353014 ro quiet splash $vt_handoff initrd /boot/initrd.img-5.15.0-53-generic}
其中，这两行，就是指定了内核和initrd，其中内核就是/boot/vmlinuz-5.15.0-53-generic, 而initrd就是/boot/initrd.img-5.15.0-53-generic。
linux /boot/vmlinuz-5.15.0-53-generic root=UUID=d047dd69-4d9e-454f-ae15-4f895f353014 ro quiet splash $vt_handoffinitrd /boot/initrd.img-5.15.0-53-generic
一般来说，Linux内核和initrd都放在/boot/目录下，如下图，这里就有两个内核版本，没有内核版本都有对应的initrd文件，你想使用那个内核，就可以再grub.cfg文件中进行指定即可。
存放内核和initrd的/boot/目录
上面已有部分调，grub根据grub设定的内核映像所在路径，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK, booting the kernel”。
系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。至此，Linux内核已经建立起来了，基于Linux的程序应该可以正常运行了。
从全局启动历程start_kernel开始,
内核完成的任务主要有：
硬件的特测硬件驱动的初始化，挂载根文件系统（根切换，如前面有讲，一般是先挂载initrd小型内存根文件系统，完成初步初始化后，在挂载硬盘上真正的根文件系统）启动init进程。内核在系统启动后的功能先提前介绍一下：进程的调度，内存管理，文件系统的管理，硬件驱动，网络等内核自身初始化完成后开始下一步第四步：system机制启动文件系统前面提到，真正的根文件系统就是你安装在硬盘上的这个Linux根文件系统，虽然内核会通常用先挂载initrd进行必要的初始化，但大部分初始化工作，是由你硬盘上的真正的Linux根文件系统来完成的。其实内核和initrd，也是包含安装在硬盘上的，也就是说，也是在根文件系统里面，只是这几个文件比较特殊，是靠grub去加载内存中的，其实系统起来后，这两个文件已经没有什么用了，只要你不关机，只是这两个文件就算删除了，系统还是照常在正常运行的。当然，如果你删除了，那重启系统，肯定就起不来了，因为grub找不到内核文件了。
说的有点远了，回过头了看文件系统，前面提到，Linux的文件系统启动方式有好几种，目前最重要的是systemd启动机制，另外一种就是sysvinit,所以在重点介绍说明 systemd引导之前，先简单说明一下Sysvinit的引导方式，这里不讲的话，后续可能也没有适合的时候来讲了。最新的Ubuntu不会使用Sysvinit启动，但有些嵌入式系统还有在用，所以有必要简单介绍一下。
Systeminit(sysvinit)启动机制：内核被加载执行到最后，就会挂载磁盘，执行磁盘上的应用程序，进行应用层的启动，第一个运行的程序便是/sbin/init，init进程执行rc.sysinit，在Systeminit启动模式下，rc.sysinit会读取/etc/inittab文件，并依据此文件来进行初始化工作。
其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级，其设定形式是“：id:5:initdefault:”，这就表明Linux需要运行在等级5上。
Linux的运行等级设定如下：
0：-halt 关机1：-single user mode 单用户模式2：-Multi-user,without NFS无网络支持的多用户模式 类似于下面的run level33：-Full multi-user mode 有网络支持的多用户模式4：-unused 保留，未使用5：-X11 有网络支持有X-Window支持的多用户模式6：- reboot 重新引导系统，即重启通常，图形系统的Linux是运行在等级5，是怎么个运行法呢：
在Linux下/etc目录下，通常有rc0.d到rc6.d这样7个目录，如果你想深入了解这种启动方式，可以去安装一个旧一点的Ubuntu系统，比如Ubuntu 6.10之前的版本，但我不确定网络上是否还可以找到这样旧的版本，估计是很难了，所以我觉得不用去找了，听我这里讲讲就好了，这几个目录，如果你打开去看一下，都是一推脚本，根据运行级别的不同，系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务，比如运行在级别5，系统就会去执行rc5.d中的脚本，里面的脚本一般都是S开头或者K开头的，比如S01.sh，S02.sh，假设这样两个脚本，就是先执行S01，再执行S02, 所以是有一定的执行顺序的，S就表示start，就是开机的时候执行的脚本，而K表示Kill，杀死的意思，一般是关机的时候执行的，也会有类似K01.sh, K02.sh这样的脚本，也会有一定的执行顺序，在开机执行的基本中，肯定就是启动各种服务，包括图形系统等，那关机的脚本，肯定就是杀死各种进程和服务，大概的逻辑就是这样的。如果你再在开机的时候执行一个脚本，也可以在这个目录下添加一个S99.sh的脚本，然后在这个脚本中执行你想要在开机是执行的任务，那系统开机的时候，就会自动执行到这个脚本，从而执行你脚本中的相关任务。
另外，还有一个脚本，/etc/rc.d/rc.local，你如果打开了此文件，里面有一句话，读过之后，你就会对此命令的作用一目了然：
# This script will be executed *after* all the other init scripts.# You can put your own initialization stuff in here if you don’t# want to do the full Sys V style init stuff.
rc.local就是在一切初始化工作后，Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。执行/bin/login程序，启动mingetty,进入登录状态，启动图形系统。刚才前面提到，你可以添加一个S99.sh来让系统开机时启动你的脚本，其实，你也可以修改rc.local这个脚本，把你想要开机执行的代码写到这个脚本，也是可以的。
Systemd启动接下里来，我们来讲systemd,关于 systemd，在Linux中，是一个非常非常重要的机制，Systemd是一个系统管理守护进程、工具和库的集合，用于取代System V初始进程。Systemd的功能是用于集中管理和配置类UNIX系统。不过这里也只是结合启动过程简单介绍，让大家知道上systemd启动机制是如何启动系统的，即可。后续等你详细了解后，你甚至可以添加自己的启动项到systemd里面去。之前也反复提到过，学习Linux，最重要是要动手，所以看完本章，你可以尝试自己添加一个systemd服务，让你的某个程序可以开机启动。
上面介绍的sysvinit看起来也不错，也比较简单，为何还需要systemd，systemd它的主要目标之一是允许系统启动时多个任务尽可能并行,从而缩短系统的启动时间，（而 sysvinit 并非如此，sysvinit是串行的，一个任务执行完，才能执行下一个任务，CPU很多时候再空闲中，效率比较低，导致系统启动时间 一般比较慢，因为它每次只启动一个进程，而且会检查彼此之间是否有依赖，在启动其它服务之前还要等待守护进程启动），充当运行中系统动态资源管理的角色。
另外，systemd可以让服务只在需要的时候启动，而不是系统启动时毫无缘由地启动全部服务，可以防止系统资源不必要的消耗。
首先，systemd 挂载在 /etc/fstab 中配置的文件系统，包括内存交换文件或分区。据此，systemd 必须能够访问位于 /etc 目录下的配置文件，包括它自己的。systemd 借助其配置文件 /etc/systemd/system/default.target 决定 Linux 系统应该启动达到哪个状态（或目标态target）。default.target 是一个真实的 target 文件的符号链接。对于桌面系统，其链接到 graphical.target，该文件相当于旧式 systemV init 方式的 runlevel 5。对于一个服务器操作系统来说，default.target 更多是默认链接到 multi-user.target， 相当于 systemV 系统的 runlevel 3。 emergency.target 相当于单用户模式。
Systemctl是一个systemd工具，主要负责控制systemd系统和服务管理器。
下面将简单介绍启动中的4个关键步骤：
1) 执行默认的target：
systemd 执行默认target 配置，配置文件/etc/systemd/system/default.target，它一般是一个软链接，指向multi-user.target或者graphical.target。可以通过如下命令查询和修改default.target:
systemctl get-default #查询
systemctl set-default multi-user.target #设置
2) 执行依赖的target
systemd 执行启动所依赖的目标basic.target和sysinit.target初始化系统
通过查看cat /etc/systemd/system/default.target查看依赖：
[Unit]Description=Multi-User SystemDocumentation=man:systemd.special(7)Requires=basic.targetConflicts=rescue.service rescue.targetAfter=basic.target rescue.service rescue.targetAllowIsolate=yes
After指定的target需要在default.target之前运行。如果想上面这样，systemd就会先去执行basic.target rescue.service rescue.target。
3) 执行用户相关的target
systemd 启动multi-user.target 下的本机与服务器服务，由于default.target指向multi-user.target，那么这一步就启动对应的multi-user.target相关的服务。它的服务存在于 /etc/systemd/system/multi-user.target.wants 目录中，这个目录下很很多的服务，systemd就会一个一个去启动相关的服务：
lrwxrwxrwx. 1 root root 37 Aug 8 2018 acpid.service -> /usr/lib/systemd/system/acpid.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 35 Aug 8 2018 atd.service -> /usr/lib/systemd/system/atd.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 38 Aug 8 2018 auditd.service -> /usr/lib/systemd/system/auditd.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 37 Aug 8 2018 crond.service -> /usr/lib/systemd/system/crond.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 37 Aug 8 2018 kdump.service -> /usr/lib/systemd/system/kdump.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 46 Aug 8 2018 libstoragemgmt.service -> /usr/lib/systemd/system/libstoragemgmt.servicelrwxrwxrwx 1 root root 36 Aug 13 2018 ntpd.service -> /usr/lib/systemd/system/ntpd.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 39 Aug 8 2018 postfix.service -> /usr/lib/systemd/system/postfix.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 40 Aug 8 2018 remote-fs.target -> /usr/lib/systemd/system/remote-fs.targetlrwxrwxrwx. 1 root root 46 Aug 8 2018 rhel-configure.service -> /usr/lib/systemd/system/rhel-configure.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 39 Aug 8 2018 rpcbind.service -> /usr/lib/systemd/system/rpcbind.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 39 Aug 8 2018 rsyslog.service -> /usr/lib/systemd/system/rsyslog.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 36 Aug 8 2018 sshd.service -> /usr/lib/systemd/system/sshd.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 37 Aug 8 2018 tuned.service -> /usr/lib/systemd/system/tuned.servicelrwxrwxrwx. 1 root root 35 Aug 8 2018 vdo.service -> /usr/lib/systemd/system/vdo.service
4) 执行rc.local服务
systemd 也会执行/etc/rc.d/rc.local。systemd是可以兼容systemv init中的rc.local配置的，通过rc-local.service来实现兼容的，systemd在启动的很早就会判断/etc/rc.local是否存在并且是可执行的，如果满足条件，那么systemd会调用/usr/lib/systemd/system-generators/下面的小程序来把rc-local.service服务加入到default.target中来。这样在后面的执行时就会触发rc.local的运行：
[Unit]Description=/etc/rc.d/rc.local CompatibilityConditionFileIsExecutable=/etc/rc.d/rc.localAfter=network.target[Service]Type=simpleExecStart=/etc/rc.d/rc.local startTimeoutStartSec=0TimeoutStopSec=1RemainAfterExit=yes
所以，如果再systemd机制下，如果你想开机时让系统执行一个程序，你可以自己写一个systemd的service，或者也可以直接修改/etc/rc.d/rc.local.
第五步：图形系统启动和系统登录1) 启动命令
systemctl isolate graphical.target
2) 启动过程：
文件：/etc/systemd/system/graphical.target
来自：systemd包
内容：
[Unit]Description=Graphical InterfaceDocumentation=man:systemd.special(7)Requires=multi-user.targetWants=display-manager.serviceConflicts=rescue.service rescue.targetAfter=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.serviceAllowIsolate=yes
文件：/etc/systemd/system/display-manager.service
来自：安装lightdm包时自己主动生成
内容：链接到/lib/systemd/system/lightdm.service
文件：/lib/systemd/system/lightdm.service
来自：lightdm包
内容：
[Unit]Description=Light Display ManagerDocumentation=man:lightdm(1)Conflicts=getty@tty1.serviceAfter=systemd-user-sessions.service getty@tty1.service plymouth-quit.service livesys-late.service[Service]ExecStart=/usr/sbin/lightdmRestart=alwaysIgnoreSIGPIPE=noBusName=org.freedesktop.DisplayManager[Install]Alias=display-manager.service
文件: /user/sbin/lightdm
来自：lightdm包
内容：二进制可运行文件。启动图形界面。
所以一层一层执行下来，最后就执行到了/usr/bin/lightdm这个程序，这个程序就是Ubuntu的图形登录界面，这样，整个图形系统就启动了。
另外，systemd机制也提供了其他一些命令，比如可以来分析和统计启动各个服务消耗的时间，如有需要，可以根据分析的结果来优化系统，比如有些服务启动时间过长，但你又不需要这个服务，那么就可以禁止这个服务，让这个服务下次启动时不再启动。
分析服务启动时间的方法如下：
systemd-analyze blame #列举出每个服务的启动耗时，前面第一列就是这个服务启动使用的时间。如何禁止一个服务，启动一个服务，都有相关的命令，我这里就不详细讲了，这个小结我也不想讲的太复杂，不行牵扯太多的细节，只是想把Linux的启动过程做一个简单梳理，让初学者大概了解这个过程即可，其实上面说的，我觉细节可以还不够完整，很多细节没有讲，我计划后面可以录个视频来讲解一下，这样可能会比较清楚。关于systemd, 是Linux根文件系统启动的关键，初学者也可以再网络上进行搜索，继续深入学习，我这里计算抛砖引玉了。
以上写的有点乱，我也不确定初始学时候可以看明白，即使不是很明白，应该也大概有个印象把，我们后面还有规划，会讲如何自己自作一个Linux系统，等你自己会制作Linux系统了，可能就完全明白整个过程了，慢慢学，欢迎持续关注我的文章。
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