Linux 開機啟動流程深度剖析：從 BIOS 到 systemd

理解開機流程是排查啟動故障、優化啟動速度、實作自定義啟動邏輯的前提。本文按階段拆解 x86_64 架構下傳統 SysV init 與現代 systemd 並行的完整啟動鏈路。

階段 0：硬體初始化 (BIOS/UEFI)

• POST：加電自檢 (CPU、記憶體、顯示卡、磁碟)
• BIOS/UEFI 設定：啟動順序、硬體參數、安全啟動
• MBR/GPT：讀取啟動磁碟第一扇區 (512 Bytes MBR) 或 EFI 系統分區

階段 1：Boot Loader (GRUB 2)

• Stage 1 (MBR)：極小程式碼 (< 446 Bytes)，唯一任務載入 Stage 1.5/2
• Stage 1.5：檔案系統驅動 (如 ext2.mod)，位於 MBR 後間隙或 /boot/grub/
• Stage 2 (/boot/grub2/)：完整功能——讀取 grub.cfg、顯示選單、載入核心與 initramfs
• grub.cfg 關鍵段：

  menuentry 'CentOS Linux' {
      linux   /vmlinuz-4.18.0 root=/dev/mapper/cl-root ro
      initrd  /initramfs-4.18.0.img
  }

階段 2：核心啟動

1. 解壓核心映像：Uncompressing Linux... OK, booting the kernel.
2. 硬體偵測與驅動載入：PCI 總線、磁碟控制器、網卡、檔案系統模組
3. 掛載根檔案系統：initramfs 提供臨時根目錄，透過 switch_root 切換至真實根目錄
4. 啟動 PID 1：start_kernel() → kernel_init() → run_init_process("/sbin/init")

階段 3：init 系統 (SysV vs systemd)

systemd 關鍵啟動流程

1. default.target (通常指向 graphical.target 或 multi-user.target)
2. 解析依賴圖 → 並行啟動 .service、.socket、.mount、.target
3. basic.target → sysinit.target (早期服務：udev、sysfs、swap、fsck)
4. multi-user.target (文字模式完整) → graphical.target (啟動 display manager)

關鍵檢測指令

systemd-analyze                    # 總啟動時間
systemd-analyze blame              # 各服務耗時排序
systemd-analyze critical-chain     # 關鍵路徑
systemctl list-unit-files --state=enabled  # 開機自啟服務
journalctl -b                      # 本次啟動日誌
dmesg -T                           # 核心環形緩衝區 (人類可讀時間)
cat /proc/cmdline                  # 核心啟動參數

常見故障排查

結語

現代 Linux 啟動鏈路：UEFI → GRUB2 → 核心 + initramfs → systemd 並行啟動。掌握各階段產物 (grub.cfg、vmlinuz、initramfs、unit 檔) 與診斷工具 (systemd-analyze、journalctl、dmesg)，即可從容應對啟動故障與效能優化。