8_系统启动深度解析：从 BIOS 到 systemd 的全过程

系统启动深度解析：从 BIOS 到 systemd 的全过程

每次按下 Linux 电脑的开机键，屏幕从黑到亮、最终出现登录界面，背后藏着一整套 “精密流程”—— 从硬件自检到服务启动，任何一个环节出问题，都可能导致 “开机黑屏”“启动项丢失”。今天这篇文章，带你逐层拆解 Linux 启动的 4 大核心环节（UEFI 引导→GRUB 配置→内核初始化→服务启动），再通过实战解决 GRUB 故障，最后玩转 systemd 单元文件，让你不仅 “会用 Linux”，更 “懂 Linux 怎么启动”。

一、先搞懂：Linux 启动的 4 步核心流程（从硬件到软件）

Linux 启动就像 “公司上班流程”：先过门禁（硬件自检），再看导航（引导程序），启动发动机（内核），最后员工到岗（服务启动）。用一张表看懂完整流程：

启动阶段 类比场景 核心组件 核心作用
1. UEFI/BIOS 自检 公司门禁安检 UEFI/BIOS（硬件固件） 检查 CPU、内存、硬盘等硬件是否正常，确保硬件能工作
2. GRUB 引导配置 导航仪选路线 GRUB（引导程序） 显示启动菜单（比如双系统选 Linux/Windows），加载内核文件
3. 内核初始化 公司发动机启动 Linux 内核 初始化硬件驱动（显卡、网卡、硬盘），创建进程管理、内存管理等核心功能
4. systemd 服务启动 员工到岗开工 systemd（初始化系统） 启动 Nginx、SSH、防火墙等服务，最终加载登录界面

1. 第一步：UEFI/BIOS 自检 —— 硬件 “开机体检”

电脑开机后，首先由UEFI 或 BIOS（硬件自带的固件程序，存于主板芯片中）接管，相当于 “硬件自检医生”。

  • BIOS 与 UEFI 的区别：

    BIOS 是传统固件（2015 年前电脑常用），仅支持 MBR 分区表，启动速度慢；UEFI 是新一代固件（现在主流），支持 GPT 分区表，启动快、支持大硬盘（＞2TB），本文以 UEFI 为例讲解。

  • 自检流程：

  1. 开机后 UEFI 自动检查 CPU、内存、硬盘、显卡是否正常（比如内存是否插紧、硬盘是否识别）；

  2. 若硬件故障（比如硬盘没接好），会发出蜂鸣警报或在屏幕显示错误（如 “Hard Disk Not Found”）；

  3. 自检通过后，UEFI 会查找 “启动设备”（按 BIOS 里设置的启动顺序，比如优先从硬盘启动），找到硬盘后，读取硬盘的 “ESP 分区”（EFI 系统分区，存放引导程序 GRUB）。

2. 第二步：GRUB 引导配置 ——“选路” 加载内核

UEFI 找到 ESP 分区后，会启动GRUB（Grand Unified Bootloader） ——Linux 的 “启动导航仪”，核心作用是 “让你选启动哪个系统，再加载对应内核”。

  • GRUB 的核心工作：

  1. 显示启动菜单（比如双系统会显示 “Ubuntu 24.04”“Windows 11”“高级选项”）；

  2. 若选择 Linux，GRUB 会从/boot分区加载两个关键文件：

  • 内核文件（如vmlinuz-5.15.0-78-generic）：Linux 内核的可执行文件；

  • 初始内存盘（如initrd.img-5.15.0-78-generic）：临时加载硬件驱动的镜像，帮助内核识别硬盘等设备；

  1. 加载完成后，GRUB 把控制权交给内核。

  • GRUB 配置文件位置：

    UEFI 系统中，GRUB 的核心配置文件在/boot/grub/grub.cfg（自动生成，不建议直接编辑），自定义启动项需改/etc/default/grub（后续实战会讲）。

3. 第三步：内核初始化 —— 启动 “系统发动机”

内核（vmlinuz文件）接管后，开始 “初始化系统核心功能”，相当于 “启动公司的发动机”。

  • 内核初始化流程：

  1. 加载硬件驱动：通过初始内存盘（initrd）加载硬盘、网卡、显卡的驱动，让内核能识别并控制硬件；

  2. 创建核心进程：启动pid=1的进程（现在是systemd，传统系统是init），这是 Linux 所有进程的 “祖进程”（后续所有进程都由它衍生）；

  3. 挂载根文件系统：内核找到/（根分区），并挂载（相当于 “打开系统的根目录”），此时内核能访问/etc、/bin等系统目录；

  4. 把控制权交给systemd：内核初始化完成后，不再直接操作，而是让systemd负责后续的服务启动。

4. 第四步：systemd 服务启动 ——“员工到岗”

systemd（pid=1）接管后，开始 “启动系统服务”，相当于 “通知各部门员工到岗开工”。

  • systemd 的核心工作：

  1. 读取服务配置：systemd会读取/lib/systemd/system/或/etc/systemd/system/下的 “单元文件”（.service、.target 等），这些文件定义了要启动的服务（如 Nginx、SSH）；

  2. 按依赖启动服务：比如先启动 “网络服务（network.service）”，再启动 “SSH 服务（sshd.service）”，避免服务因依赖缺失启动失败；

  3. 加载登录界面：最后启动 “显示管理器（如 gdm.service，Ubuntu 的图形登录界面）”，或 “终端登录（getty.service）”，此时用户能输入账号密码登录系统。

  • 验证 systemd 启动结果：

    登录后输ps -ef | grep init，会显示1 ? 00:00:02 systemd，说明systemd是pid=1的祖进程，启动正常。

二、实战：解决 2 个高频启动问题（GRUB 修复 + 启动项设置）

启动流程中最容易出问题的是 “GRUB 引导”—— 比如双系统丢失 Linux 启动项、GRUB 损坏导致开机黑屏，下面分步演示解决方法。

实战 1：修复 GRUB 引导故障（双系统丢失 Linux 启动项）

场景：装了 Ubuntu+Windows 双系统，某次 Windows 更新后，开机直接进 Windows，看不到 Linux 启动项（GRUB 菜单被覆盖）。

解决步骤（用 Ubuntu 安装盘修复）：

  1. 制作 Ubuntu 启动 U 盘：

    下载 Ubuntu 24.04 镜像，用 Rufus 工具制作启动 U 盘（注意选 “GPT 分区表” 和 “UEFI 启动”）。

  2. 从 U 盘启动电脑：

    开机按快捷键（F2/F10/F12，不同主板不同，开机时屏幕会提示）进入 UEFI 启动菜单，选 “U 盘启动”，进入 Ubuntu 安装界面，选 “Try Ubuntu without installing”（不安装，进入试用模式）。

  3. 安装并运行 boot-repair 工具（自动修复 GRUB）：

    打开终端，依次输入以下命令：

\# 添加boot-repair软件源

sudo add-apt-repository ppa:yannubuntu/boot-repair

\# 更新缓存

sudo apt update

\# 安装boot-repair

sudo apt install boot-repair -y

\# 启动boot-repair

boot-repair

  1. 执行自动修复：

    启动后，boot-repair 会提示 “Recommended repair”（推荐修复），点击后工具会自动检测硬盘分区、重建 GRUB 引导、添加 Linux 和 Windows 启动项，耐心等待修复完成（约 1-2 分钟）。

  2. 重启验证：

    拔掉 U 盘，重启电脑，此时会显示 GRUB 菜单，能看到 “Ubuntu 24.04” 和 “Windows Boot Manager”，选 Ubuntu 即可正常启动。

实战 2：设置 GRUB 默认启动项（比如默认进 Windows）

场景：双系统中，GRUB 默认启动 Ubuntu，想改成默认启动 Windows，避免每次开机手动选。

解决步骤（编辑 GRUB 配置）：

  1. 查看 GRUB 启动项列表：

    先知道 Windows 启动项在 GRUB 中的 “序号”（GRUB 启动项从 0 开始计数），输入命令：

grep menuentry /boot/grub/grub.cfg

输出示例（不同系统可能不同）：

menuentry 'Ubuntu' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os \$menuentry\_id\_option 'gnulinux-simple-abc123...' { ... }

menuentry 'Advanced options for Ubuntu' { ... }

menuentry 'Windows Boot Manager (on /dev/sda1)' --class windows --class os \$menuentry\_id\_option 'osprober-efi-DEF4-1234' { ... }

这里 Windows 启动项是第 2 个（序号为 2，因为 Ubuntu 是 0，Advanced 是 1）。

  1. 编辑 /etc/default/grub 文件：

    不要直接改/boot/grub/grub.cfg（会被自动覆盖），改/etc/default/grub：

sudo vim /etc/default/grub

找到以下两行，修改对应值：

GRUB\_DEFAULT=2  # 改成Windows启动项的序号（这里是2）

GRUB\_TIMEOUT=5  # 启动菜单显示时间（秒），0表示不显示，建议设5秒

保存退出（vim 中按Esc，输:wq）。

  1. 更新 GRUB 配置：

    修改/etc/default/grub后，需执行命令让配置生效：

sudo update-grub

输出 “Generating grub configuration file ... done”，说明更新成功。

  1. 重启验证：

    重启电脑，GRUB 菜单会默认选中 “Windows Boot Manager”，等待 5 秒后自动进 Windows（若想手动改，也能在 5 秒内选其他启动项）。

三、新特性：systemd 单元文件编写（以 Nginx 服务为例）

传统 Linux 用init脚本（/etc/init.d/下）管理服务，现在systemd用 “单元文件”（.service）替代，更简洁、功能更强。下面以 “自定义 Nginx 服务” 为例，教你编写和使用单元文件。

1. 先懂 systemd 单元文件的核心结构

一个.service单元文件分 3 个核心区块：[Unit]（定义依赖和描述）、[Service]（定义服务启动逻辑）、[Install]（定义开机启动配置），每个区块有固定字段。

2. 实战：编写 Nginx 的 systemd 单元文件

假设我们从源码编译安装了 Nginx（路径/usr/local/nginx/），默认没有systemd单元文件，需要手动编写，让systemd能管理 Nginx（启动、停止、开机自启）。

步骤 1：创建单元文件

新建nginx.service文件，路径为/etc/systemd/system/nginx.service（用户自定义服务建议放这里，系统默认服务在/lib/systemd/system/）：

sudo vim /etc/systemd/system/nginx.service

步骤 2：写入单元文件内容

粘贴以下内容，每段都有注释解释含义：

\[Unit]

\# 服务描述（执行systemctl status nginx时显示）

Description=Nginx Web Server

\# 启动依赖：网络服务启动后再启动Nginx（避免Nginx因没网启动失败）

After=network.target remote-fs.target nss-lookup.target

\[Service]

\# 服务类型：simple表示启动脚本是前台运行（Nginx默认前台启动，若用daemon off则需改）

Type=forking

\# Nginx启动命令（源码安装的启动脚本路径）

ExecStart=/usr/local/nginx/sbin/nginx

\# Nginx停止命令（发送QUIT信号，优雅停止，保存配置）

ExecStop=/usr/local/nginx/sbin/nginx -s quit

\# Nginx重启命令（先停止再启动）

ExecReload=/usr/local/nginx/sbin/nginx -s reload

\# 服务启动后，保存主进程PID到文件（方便systemd管理）

PIDFile=/usr/local/nginx/logs/nginx.pid

\# 服务停止后，是否自动重启（on-failure表示仅在失败时重启，比如崩溃时）

Restart=on-failure

\# 重启间隔（失败后10秒再重启，避免频繁重启）

RestartSec=10

\[Install]

\# 开机启动时，关联到“多用户.target”（表示系统进入多用户模式时启动Nginx）

WantedBy=multi-user.target

步骤 3：重载 systemd 配置

编写完单元文件后，systemd需要重新加载配置才能识别：

sudo systemctl daemon-reload

3. 用 systemd 管理 Nginx 服务（验证单元文件）

通过systemctl命令操作 Nginx，验证单元文件是否生效：

需求 命令 说明
启动 Nginx sudo systemctl start nginx 启动服务，无输出表示启动成功
查看 Nginx 状态 sudo systemctl status nginx 显示服务是否运行、PID、最近日志
停止 Nginx sudo systemctl stop nginx 停止服务
重启 Nginx sudo systemctl restart nginx 停止后重新启动，适合改配置后
重新加载 Nginx 配置 sudo systemctl reload nginx 不停止服务，仅加载新配置（推荐用）
设置 Nginx 开机自启 sudo systemctl enable nginx 下次开机时自动启动 Nginx
取消 Nginx 开机自启 sudo systemctl disable nginx 取消开机自启

验证开机自启：

设置开机自启后，输sudo systemctl is-enabled nginx，输出 “enabled” 表示成功；重启电脑后，输sudo systemctl status nginx，显示 “active (running)”，说明 Nginx 已自动启动。

四、新手避坑：启动流程中的 3 个常见误区

  1. 误区 1：直接编辑 /boot/grub/grub.cfg 改启动项

    错因：grub.cfg是update-grub命令自动生成的，直接修改会被覆盖；

    正确做法：改/etc/default/grub，再执行sudo update-grub，让配置生效。

  2. 误区 2：systemd 单元文件放错路径，导致服务无法识别

    错因：用户自定义服务放/lib/systemd/system/（系统默认路径），会被系统更新覆盖；

    正确做法：自定义服务放/etc/systemd/system/，这个路径优先级更高，且不会被系统更新修改。

  3. 误区 3：修复 GRUB 时，没区分 UEFI 和 BIOS 系统

    错因：UEFI 系统的 GRUB 在 ESP 分区，BIOS 系统在 MBR 分区，修复工具和步骤不同；

    正确做法：先判断系统类型（输ls /sys/firmware/efi，若有该目录是 UEFI，否则是 BIOS），再选对应修复方法。

总结：Linux 启动的 “核心逻辑链”

  1. 硬件到软件：UEFI 自检（硬件）→GRUB 引导（过渡）→内核初始化（核心）→systemd 服务（应用）；

  2. 故障解决：GRUB 丢失用 boot-repair 自动修复，自定义启动项改/etc/default/grub；

  3. 服务管理：systemd 单元文件分 [Unit]、[Service]、[Install]，编写后用systemctl管理，比传统 init 脚本更高效。

理解启动流程后，遇到 “开机黑屏”“启动项丢失”“服务启动失败” 等问题，你就能按 “从硬件到软件” 的顺序排查 —— 先看 UEFI 自检是否报错，再查 GRUB 是否正常，最后看 systemd 服务状态，逐步定位问题根源，不再盲目百度。

posted @ 2025-10-12 18:56  S&L·chuck  阅读(117)  评论(0)    收藏  举报