Linux 啟動過程是初始化系統的過程。 它包括從第一次開啟計算機電源到使用者介面完全可操作時發生的所有事情。

充分了解引導過程中的步驟可能有助於您解決問題，以及根據您的需要調整計算機的效能。

另一方面，啟動過程可能相當技術性，您可以在不瞭解所有細節的情況下開始使用 Linux。

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## 第一個步驟：BIOS

啟動基於 x86 的 Linux 系統涉及許多步驟。 當計算機開機時，基本輸入/輸出系統 (BIOS) 會初始化硬體，包括螢幕和鍵盤，並測試主記憶體。 此過程也稱為 POST（開機自檢）。

BIOS 軟體儲存在主機板上的 ROM 晶片上。 此後，引導過程的其餘部分由作業系統 (OS) 控制。

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## Master Boot Record (MBR) and Boot Loader

一旦 POST 完成，系統控制就會從 BIOS 傳遞到引導載入程式。引導載入程式通常儲存在系統中的硬碟之一上，或者在引導扇區（對於傳統 BIOS/MBR 系統）或 EFI 分割槽（對於更新的（統一）可擴充套件韌體介面或 EFI/UEFI 系統）。到此階段為止，機器不會訪問任何大容量儲存介質。此後，有關日期、時間和最重要外圍裝置的資訊從 CMOS 值中載入（在使用電池供電的記憶體儲存技術後，即使系統斷電也能跟蹤日期和時間） .

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有許多用於 Linux 的引導載入程式；最常見的是 GRUB（用於 GRand Unified Boot loader）、ISOLINUX（用於從可移動媒體啟動）和 DAS U-Boot（用於在嵌入式裝置/裝置上啟動）。大多數 Linux 引導載入程式可以提供一個使用者介面，用於選擇引導 Linux 的替代選項，甚至可能安裝的其他作業系統。在引導 Linux 時，引導載入程式負責將核心映像和初始 RAM 磁碟或檔案系統（其中包含啟動系統所需的一些關鍵檔案和裝置驅動程式）載入到記憶體中。

## Boot Loader in Action

引導載入程式有兩個不同的階段：

對於使用 BIOS/MBR 方法的系統，引導載入程式位於硬碟的第一個扇區，也稱為主開機記錄 (MBR)。 MBR 的大小僅為 512 位元組。在此階段，引導載入程式檢查分割槽表並找到可引導分割槽。一旦找到可引導分割槽，它就會搜尋第二階段引導載入程式，例如 GRUB，並將其載入到 RAM（隨機存取儲存器）中。對於使用 EFI/UEFI 方法的系統，UEFI 韌體讀取其引導管理器資料以確定要啟動哪個 UEFI 應用程式以及從何處啟動（即可以從哪個磁碟和分割槽找到 EFI 分割槽）。然後，韌體啟動 UEFI 應用程式，例如 GRUB，如韌體啟動管理器的啟動項中所定義。這個過程更復雜，但比舊的 MBR 方法更通用。

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第二階段引導載入程式位於 /boot 下。將顯示啟動畫面，讓我們可以選擇要啟動的作業系統 (OS)。選擇作業系統後，引導載入程式將所選作業系統的核心載入到 RAM 中，並將控制權交給它。核心幾乎總是被壓縮，所以它的首要任務是解壓縮自身。之後，它將檢查和分析系統硬體並初始化核心中內建的任何硬體裝置驅動程式。

## Initial RAM Disk

initramfs 檔案系統映像包含執行掛載正確根檔案系統所需的所有操作的程式和二進位制檔案，例如為所需的檔案系統和大容量儲存控制器的裝置驅動程式提供核心功能，使用名為 udev（用於使用者裝置）的工具，它負責用於確定存在哪些裝置，定位它們需要正確執行的裝置驅動程式，並載入它們。找到根檔案系統後，檢查錯誤並安裝。

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掛載程式指示作業系統檔案系統已準備好使用，並將其與檔案系統整個層次結構中的特定點（掛載點）相關聯。如果成功，initramfs 將從 RAM 中清除並執行根檔案系統 (/sbin/init) 上的 init 程式。

init 處理掛載和轉向最終的真實根檔案系統。如果在訪問大容量儲存之前需要特殊的硬體驅動程式，它們必須在 initramfs 映像中。

## Text mode logins

在啟動過程接近尾聲時，init 會啟動一些文字模式登入提示。這些使您能夠鍵入您的使用者名稱，然後是您的密碼，並最終獲得一個命令外殼。但是，如果您正在執行帶有圖形登入介面的系統，您一開始不會看到這些。

通常，預設的命令 shell 是 bash（GNU Bourne Again Shell），但還有許多其他高階命令 shell 可用。 shell 列印一個文字提示，表明它已準備好接受命令；使用者輸入命令並回車後，命令被執行，命令執行完成後會顯示另一個提示。

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正如您將在第 7 章：命令列操作中學到的那樣，可以使用 ALT 鍵和一個功能鍵來訪問執行命令 shell 的終端。大多數發行版以 F1 或 F2 開頭，有六個文字終端和一個圖形終端。在圖形環境中，切換到文字控制檯需要按 CTRL-ALT + 相應的功能鍵（使用 F7 或 F1 通向 GUI）。

## Linux Kernel

引導載入程式將核心和基於 RAM 的初始檔案系統 (initramfs) 載入到記憶體中，因此核心可以直接使用它。

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當核心載入到 RAM 中時，它會立即初始化和配置計算機的記憶體，並配置連線到系統的所有硬體。 這包括所有處理器、I/O 子系統、儲存裝置等。核心還載入一些必要的使用者空間應用程式。

## /sbin/init and Services

一旦核心設定了所有硬體並掛載了根檔案系統，核心就會執行 /sbin/init。然後這成為初始程式，然後啟動其他程式以使系統執行。系統上的大多數其他程式最終都會追溯到 init；例外包括所謂的核心程式。它們由核心直接啟動，它們的工作是管理內部作業系統的詳細資訊。

除了啟動系統之外，init 還負責保持系統執行和乾淨地關閉系統。它的職責之一是在必要時作為所有非核心程式的管理者；完成後進行清理，並在使用者登入和退出時根據需要重新啟動使用者登入服務，其他後臺系統服務也是如此。

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傳統上，此程式啟動是使用可追溯到 1980 年代的約定和 System V UNIX 版本完成的。這個序列程式讓系統透過一系列執行級別，其中包含啟動和停止服務的指令碼集合。每個執行級別都支援不同的系統執行模式。在每個執行級別內，可以將單個服務設定為執行，或者在執行時關閉。

然而，最近的所有主要發行版都不再採用這種系統初始化的順序執行級別方法，儘管它們通常出於相容性目的支援 System V 約定。接下來，我們將討論較新的方法 systemd 和 Upstart。

## Startup Alternatives

SysVinit 將事物視為一個連續的過程，分為一系列連續的階段。每個階段都需要完成才能進行下一個階段。因此，啟動不容易利用可以在多個處理器或核心上完成的並行處理。

此外，關機和重啟被視為一種相對罕見的事件；究竟花了多長時間並不重要。這不再是事實，尤其是對於移動裝置和嵌入式 Linux 系統。一些現代方法，例如使用容器，可能需要幾乎瞬時的啟動時間。因此，系統現在需要具有更快和增強功能的方法。最後，舊的方法需要相當複雜的啟動指令碼，這些指令碼很難在發行版本、核心版本、體系結構和系統型別之間保持通用。開發的兩個主要替代方案是：

### Updtart

* 由 Ubuntu 開發並於 2006 年首次收錄
* 在 Fedora 9（2008 年）和 RHEL 6 及其克隆中採用。

### systemd

* Fedora 首先採用（2011 年）
* 被 RHEL 7 和 SUSE 採用
* 在 Ubuntu 16.04 中替換了 Upstart

雖然遷移到 systemd 頗有爭議，但它已被主要發行版採用，因此我們不會討論舊的 System V 方法或 Upstart，後者已成為死衚衕。不管人們對 systemd 的爭議或技術方法有何看法，幾乎普遍採用使學習如何在 Linux 系統上工作變得更簡單，因為發行版之間的差異較小。我們接下來列舉 systemd 的特性。

## systemd Features

使用 systemd 的系統比使用早期 init 方法的系統啟動得更快。這主要是因為它用激進的並行化技術替換了一組序列化的步驟，允許同時啟動多個服務。

複雜的啟動shell指令碼被更簡單的配置檔案所取代，這些配置檔案列舉了服務啟動前必須做的事情，如何執行服務啟動，以及服務在啟動完成時應該表明什麼條件已經完成。需要注意的一件事是 /sbin/init 現在只指向 /lib/systemd/systemd；即 systemd 接管 init 程式。

一個 systemd 命令 (systemctl) 用於大多數基本任務。雖然我們還沒有討論在命令列上工作，但這裡是其用法的簡要列表：

* 在當前執行的系統上啟動、停止、重啟服務（以 nfs 為例）：

$ sudo systemctl start|stop|restart nfs.service

* 啟用或禁用系統服務在系統引導時啟動：
$ sudo systemctl enable|disable nfs.service

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在大多數情況下，可以省略 .service。與舊方法存在許多技術差異，超出了我們的討論範圍。

Linux Boot，Kernel 和 Service 介紹

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