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階段 1

如上文 POST（上電自檢）階段提到的，在 POST 階段結(jié)束時(shí)，BIOS 將查找在接入的磁盤(pán)中查找引導(dǎo)記錄，其通常位于 MBR（主引導(dǎo)記錄），它加載它找到的第一個(gè)引導(dǎo)記錄中到內(nèi)存中，并開(kāi)始執(zhí)行此代碼。引導(dǎo)代碼（及階段 1 代碼）必須非常小，因?yàn)樗仨氝B同分區(qū)表放到硬盤(pán)的第一個(gè) 512 字節(jié)的扇區(qū)中。 在傳統(tǒng)的常規(guī) MBR 中，引導(dǎo)代碼實(shí)際所占用的空間大小為 446 字節(jié)。這個(gè)階段 1 的 446 字節(jié)的文件通常被叫做引導(dǎo)鏡像（boot.img），其中不包含設(shè)備的分區(qū)信息，分區(qū)是一般單獨(dú)添加到引導(dǎo)記錄中。

由于引導(dǎo)記錄必須非常的小，它不可能非常智能，且不能理解文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此階段 1 的唯一功能就是定位并加載階段 1.5 的代碼。為了完成此任務(wù)，階段 1.5 的代碼必須位于引導(dǎo)記錄與設(shè)備第一個(gè)分區(qū)之間的位置。在加載階段 1.5 代碼進(jìn)入內(nèi)存后，控制權(quán)將由階段 1 轉(zhuǎn)移到階段 1.5。

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階段 1.5

如上所述，階段 1.5 的代碼必須位于引導(dǎo)記錄與設(shè)備第一個(gè)分區(qū)之間的位置。該空間由于歷史上的技術(shù)原因而空閑。第一個(gè)分區(qū)的開(kāi)始位置在扇區(qū) 63 和 MBR（扇區(qū) 0）之間遺留下 62 個(gè) 512 字節(jié)的扇區(qū)（共 31744 字節(jié)），該區(qū)域用于存儲(chǔ)階段 1.5 的代碼鏡像 core.img 文件。該文件大小為 25389 字節(jié)，故此區(qū)域有足夠大小的空間用來(lái)存儲(chǔ) core.img。

因?yàn)橛懈蟮拇鎯?chǔ)空間用于階段 1.5，且該空間足夠容納一些通用的文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，如標(biāo)準(zhǔn)的 EXT 和其它的 Linux 文件系統(tǒng)，如 FAT 和 NTFS 等。GRUB2 的 core.img 遠(yuǎn)比更老的 GRUB1 階段 1.5 更復(fù)雜且更強(qiáng)大。這意味著 GRUB2 的階段 2 能夠放在標(biāo)準(zhǔn)的 EXT 文件系統(tǒng)內(nèi)，但是不能放在邏輯卷內(nèi)。故階段 2 的文件可以存放于 /boot 文件系統(tǒng)中，一般在 /boot/grub2 目錄下。

注意 /boot 目錄必須放在一個(gè) GRUB 所支持的文件系統(tǒng)（并不是所有的文件系統(tǒng)均可）。階段 1.5 的功能是開(kāi)始執(zhí)行存放階段 2 文件的 /boot 文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，并加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。

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階段 2

GRUB 階段 2 所有的文件都已存放于 /boot/grub2 目錄及其幾個(gè)子目錄之下。該階段沒(méi)有一個(gè)類(lèi)似于階段 1 與階段 1.5 的鏡像文件。相應(yīng)地，該階段主要需要從 /boot/grub2/i386-pc 目錄下加載一些內(nèi)核運(yùn)行時(shí)模塊。

GRUB 階段 2 的主要功能是定位和加載 Linux 內(nèi)核到內(nèi)存中，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到內(nèi)核。內(nèi)核的相關(guān)文件位于 /boot 目錄下，這些內(nèi)核文件可以通過(guò)其文件名進(jìn)行識(shí)別，其文件名均帶有前綴 vmlinuz。你可以列出 /boot 目錄中的內(nèi)容來(lái)查看操作系統(tǒng)中當(dāng)前已經(jīng)安裝的內(nèi)核。

GRUB2 跟 GRUB1 類(lèi)似，支持從 Linux 內(nèi)核選擇之一引導(dǎo)啟動(dòng)。Red Hat 包管理器（DNF）支持保留多個(gè)內(nèi)核版本，以防最新版本內(nèi)核發(fā)生問(wèn)題而無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，可以恢復(fù)老版本的內(nèi)核。默認(rèn)情況下，GRUB 提供了一個(gè)已安裝內(nèi)核的預(yù)引導(dǎo)菜單，其中包括問(wèn)題診斷菜單（recuse）以及恢復(fù)菜單（如果配置已經(jīng)設(shè)置恢復(fù)鏡像）。

階段 2 加載選定的內(nèi)核到內(nèi)存中，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到內(nèi)核代碼。

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內(nèi)核

內(nèi)核文件都是以一種自解壓的壓縮格式存儲(chǔ)以節(jié)省空間，它與一個(gè)初始化的內(nèi)存映像和存儲(chǔ)設(shè)備映射表都存儲(chǔ)于 /boot 目錄之下。

在選定的內(nèi)核加載到內(nèi)存中并開(kāi)始執(zhí)行后，在其進(jìn)行任何工作之前，內(nèi)核文件首先必須從壓縮格式解壓自身。一旦內(nèi)核自解壓完成，則加載 systemd 進(jìn)程（其是老式 System V 系統(tǒng)的 init 程序的替代品)，并轉(zhuǎn)移控制權(quán)到 systemd。

這就是引導(dǎo)過(guò)程的結(jié)束。此刻，Linux 內(nèi)核和 systemd 處于運(yùn)行狀態(tài)，但是由于沒(méi)有其他任何程序在執(zhí)行，故其不能執(zhí)行任何有關(guān)用戶(hù)的功能性任務(wù)。

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啟動(dòng)過(guò)程

啟動(dòng)過(guò)程緊隨引導(dǎo)過(guò)程之后，啟動(dòng)過(guò)程使 Linux 系統(tǒng)進(jìn)入可操作狀態(tài)，并能夠執(zhí)行用戶(hù)功能性任務(wù)。

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systemd

systemd 是所有進(jìn)程的父進(jìn)程。它負(fù)責(zé)將 Linux 主機(jī)帶到一個(gè)用戶(hù)可操作狀態(tài)（可以執(zhí)行功能任務(wù)）。systemd 的一些功能遠(yuǎn)較舊式 init 程序更豐富，可以管理運(yùn)行中的 Linux 主機(jī)的許多方面，包括掛載文件系統(tǒng)，以及開(kāi)啟和管理 Linux 主機(jī)的系統(tǒng)服務(wù)等。但是 systemd 的任何與系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程無(wú)關(guān)的功能均不在此文的討論范圍。

首先，systemd 掛載在 /etc/fstab 中配置的文件系統(tǒng)，包括內(nèi)存交換文件或分區(qū)。據(jù)此，systemd 必須能夠訪(fǎng)問(wèn)位于 /etc 目錄下的配置文件，包括它自己的。systemd 借助其配置文件 /etc/systemd/system/default.target 決定 Linux 系統(tǒng)應(yīng)該啟動(dòng)達(dá)到哪個(gè)狀態(tài)（或目標(biāo)態(tài)）。default.target 是一個(gè)真實(shí)的 target 文件的符號(hào)鏈接。對(duì)于桌面系統(tǒng)，其鏈接到 graphical.target，該文件相當(dāng)于舊式 systemV init 方式的 runlevel 5。對(duì)于一個(gè)服務(wù)器操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，default.target 更多是默認(rèn)鏈接到 multi-user.target， 相當(dāng)于 systemV 系統(tǒng)的 runlevel 3。 emergency.target 相當(dāng)于單用戶(hù)模式。

（譯注：“target” 是 systemd 新引入的概念，目前尚未發(fā)現(xiàn)有官方的準(zhǔn)確譯名，考慮到其作用和使用的上下文環(huán)境，我們認(rèn)為翻譯為“目標(biāo)態(tài)”比較貼切。以及，“unit” 是指 systemd 中服務(wù)和目標(biāo)態(tài)等各個(gè)對(duì)象/文件，在此依照語(yǔ)境譯作“單元”。）

注意，所有的目標(biāo)態(tài)和服務(wù)均是 systemd 的單元。

如下表 1 是 systemd 啟動(dòng)的目標(biāo)態(tài)和老版 systemV init 啟動(dòng)運(yùn)行級(jí)別的對(duì)比。這個(gè) systemd 目標(biāo)態(tài)別名 是為了 systemd 向前兼容 systemV 而提供。這個(gè)目標(biāo)態(tài)別名允許系統(tǒng)管理員（包括我自己）用 systemV 命令（例如 init 3）改變運(yùn)行級(jí)別。當(dāng)然，該 systemV 命令是被轉(zhuǎn)發(fā)到 systemd 進(jìn)行解釋和執(zhí)行的。

SystemV 運(yùn)行級(jí)別systemd 目標(biāo)態(tài)systemd 目標(biāo)態(tài)別名描述?halt.target?停止系統(tǒng)運(yùn)行但不切斷電源。0poweroff.targetrunlevel0.target停止系統(tǒng)運(yùn)行并切斷電源.Semergency.target?單用戶(hù)模式，沒(méi)有服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行，文件系統(tǒng)也沒(méi)掛載。這是一個(gè)最基本的運(yùn)行級(jí)別，僅在主控制臺(tái)上提供一個(gè) shell 用于用戶(hù)與系統(tǒng)進(jìn)行交互。1rescue.targetrunlevel1.target掛載了文件系統(tǒng)，僅運(yùn)行了最基本的服務(wù)進(jìn)程的基本系統(tǒng)，并在主控制臺(tái)啟動(dòng)了一個(gè) shell 訪(fǎng)問(wèn)入口用于診斷。2?runlevel2.target多用戶(hù)，沒(méi)有掛載 NFS 文件系統(tǒng)，但是所有的非圖形界面的服務(wù)進(jìn)程已經(jīng)運(yùn)行。3multi-user.targetrunlevel3.target所有服務(wù)都已運(yùn)行，但只支持命令行接口訪(fǎng)問(wèn)。4?runlevel4.target未使用。5graphical.targetrunlevel5.target多用戶(hù)，且支持圖形界面接口。6reboot.targetrunlevel6.target重啟。?default.target?這個(gè)目標(biāo)態(tài)target是總是?multi-user.target?或?graphical.target?的一個(gè)符號(hào)鏈接的別名。systemd 總是通過(guò)?default.target?啟動(dòng)系統(tǒng)。default.target?絕不應(yīng)該指向?halt.target、?poweroff.target?或?reboot.target。

表 1 老版本 systemV 的 運(yùn)行級(jí)別與 systemd 與目標(biāo)態(tài)或目標(biāo)態(tài)別名的比較

每個(gè)目標(biāo)態(tài)有一個(gè)在其配置文件中描述的依賴(lài)集，systemd 需要首先啟動(dòng)其所需依賴(lài)，這些依賴(lài)服務(wù)是 Linux 主機(jī)運(yùn)行在特定的功能級(jí)別所要求的服務(wù)。當(dāng)配置文件中所有的依賴(lài)服務(wù)都加載并運(yùn)行后，即說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行于該目標(biāo)級(jí)別。

systemd 也會(huì)查看老式的 systemV init 目錄中是否存在相關(guān)啟動(dòng)文件，若存在，則 systemd 根據(jù)這些配置文件的內(nèi)容啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的服務(wù)。在 Fedora 系統(tǒng)中，過(guò)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)就是通過(guò)該方式啟動(dòng)的一個(gè)實(shí)例。

如下圖 1 是直接從 bootup 的 man 頁(yè)面拷貝而來(lái)。它展示了在 systemd 啟動(dòng)過(guò)程中一般的事件序列和確保成功的啟動(dòng)的基本的順序要求。

sysinit.target 和 basic.target 目標(biāo)態(tài)可以被視作啟動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)檢查點(diǎn)。盡管 systemd 的設(shè)計(jì)初衷是并行啟動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)，但是部分服務(wù)或功能目標(biāo)態(tài)是其它服務(wù)或目標(biāo)態(tài)的啟動(dòng)的前提。系統(tǒng)將暫停于檢查點(diǎn)直到其所要求的服務(wù)和目標(biāo)態(tài)都滿(mǎn)足為止。

sysinit.target 狀態(tài)的到達(dá)是以其所依賴(lài)的所有資源模塊都正常啟動(dòng)為前提的，所有其它的單元，如文件系統(tǒng)掛載、交換文件設(shè)置、設(shè)備管理器的啟動(dòng)、隨機(jī)數(shù)生成器種子設(shè)置、低級(jí)別系統(tǒng)服務(wù)初始化、加解密服務(wù)啟動(dòng)（如果一個(gè)或者多個(gè)文件系統(tǒng)加密的話(huà)）等都必須完成，但是在 sysinit.target 中這些服務(wù)與模塊是可以并行啟動(dòng)的。

sysinit.target 啟動(dòng)所有的低級(jí)別服務(wù)和系統(tǒng)初具功能所需的單元，這些都是進(jìn)入下一階段 basic.target 的必要前提。

圖 1：systemd 的啟動(dòng)流程

在 sysinit.target 的條件滿(mǎn)足以后，systemd 接下來(lái)啟動(dòng) basic.target，啟動(dòng)其所要求的所有單元。 basic.target 通過(guò)啟動(dòng)下一目標(biāo)態(tài)所需的單元而提供了更多的功能，這包括各種可執(zhí)行文件的目錄路徑、通信 sockets，以及定時(shí)器等。

最后，用戶(hù)級(jí)目標(biāo)態(tài)（multi-user.target 或 graphical.target） 可以初始化了，應(yīng)該注意的是 multi-user.target 必須在滿(mǎn)足圖形化目標(biāo)態(tài) graphical.target 的依賴(lài)項(xiàng)之前先達(dá)成。

圖 1 中，以 * 開(kāi)頭的目標(biāo)態(tài)是通用的啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)其中的某一目標(biāo)態(tài)，則說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)啟動(dòng)完成了。如果 multi-user.target 是默認(rèn)的目標(biāo)態(tài)，則成功啟動(dòng)的系統(tǒng)將以命令行登錄界面呈現(xiàn)于用戶(hù)。如果 graphical.target 是默認(rèn)的目標(biāo)態(tài)，則成功啟動(dòng)的系統(tǒng)將以圖形登錄界面呈現(xiàn)于用戶(hù)，界面的具體樣式將根據(jù)系統(tǒng)所配置的顯示管理器而定。

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故障討論

最近我需要改變一臺(tái)使用 GRUB2 的 Linux 電腦的默認(rèn)引導(dǎo)內(nèi)核。我發(fā)現(xiàn)一些 GRUB2 的命令在我的系統(tǒng)上不能用，也可能是我使用方法不正確。至今，我仍然不知道是何原因?qū)е?，此?wèn)題需要進(jìn)一步探究。

grub2-set-default 命令沒(méi)能在配置文件 /etc/default/grub 中成功地設(shè)置默認(rèn)內(nèi)核索引，以至于期望的替代內(nèi)核并沒(méi)有被引導(dǎo)啟動(dòng)。故在該配置文件中我手動(dòng)更改 GRUB_DEFAULT=saved 為 GRUB_DEFAULT=2，2 是我需要引導(dǎo)的安裝好的內(nèi)核文件的索引。然后我執(zhí)行命令 grub2-mkconfig > /boot/grub2/grub.cfg 創(chuàng)建了新的 GRUB 配置文件，該方法如預(yù)期的規(guī)避了問(wèn)題，并成功引導(dǎo)了替代的內(nèi)核。

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結(jié)論

GRUB2、systemd 初始化系統(tǒng)是大多數(shù)現(xiàn)代 Linux 發(fā)行版引導(dǎo)和啟動(dòng)的關(guān)鍵組件。盡管在實(shí)際中，systemd 的使用還存在一些爭(zhēng)議，但是 GRUB2 與 systemd 可以密切地配合先加載內(nèi)核，然后啟動(dòng)一個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)服務(wù)。

盡管 GRUB2 和 systemd 都比其前任要更加復(fù)雜，但是它們更加容易學(xué)習(xí)和管理。在 man 頁(yè)面有大量關(guān)于 systemd 的幫助說(shuō)明，freedesktop.org 也在線(xiàn)收錄了完整的此幫助說(shuō)明（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/index.html）。下面有更多相關(guān)信息鏈接。

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附加資源

GNU GRUB（https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_GRUB） (Wikipedia)

GNU GRUB Manual（https://www.gnu.org/software/grub/manual/grub.html） (GNU.org)

Master Boot Record（https://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record） (Wikipedia)

Multiboot specification（https://en.wikipedia.org/wiki/Multiboot_Specification） (Wikipedia)

systemd（https://en.wikipedia.org/wiki/Systemd） (Wikipedia)

systemd bootup process（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/bootup.html） (Freedesktop.org)

systemd index of man pages（https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/index.html） (Freedesktop.org)

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