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Linux启动流程详解

概述

Linux系统启动过程从上电到用户空间可用，经历多个阶段，理解每个阶段有助于系统优化和问题排查。

启动流程概览

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┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  上电复位   │ -> │  Bootloader │ -> │   内核启动  │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
                                              │
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│ 用户空间    │ <- │  init进程   │ <- │ 根文件系统  │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘

第一阶段：Bootloader

Bootloader功能

  1. 硬件初始化
  2. CPU初始化
  3. 内存控制器初始化
  4. 串口初始化（调试输出）

  5. 存储设备初始化

  6. 加载内核

  7. 从存储设备读取内核镜像
  8. 解压内核（如需要）

  9. 加载设备树

  10. 传递参数

  11. 内核启动参数（bootargs）
  12. 设备树地址
  13. initramfs地址

U-Boot启动流程

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_start (arch/arm/lib/vector.S)
    │
    ▼
reset (arch/arm/lib/start.S)
    │
    ├── CPU初始化
    ├── 板级初始化 (board_init_f)
    │       ├── 时钟初始化
    │       ├── 内存初始化
    │       └── 环境变量初始化
    │
    ├── 重定位到RAM
    │
    └── 板级初始化 (board_init_r)
            ├── 设备初始化
            ├── 环境变量加载
            └── 进入主循环 (main_loop)
                    ├── 处理命令
                    └── 自动启动 (bootm)

U-Boot环境变量

Bash
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# 查看环境变量
printenv

# 设置启动命令
setenv bootcmd 'fatload mmc 0:1 0x42000000 zImage; fatload mmc 0:1 0x43000000 dtb; bootz 0x42000000 - 0x43000000'

# 设置启动参数
setenv bootargs 'console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait'

# 保存环境变量
saveenv

第二阶段：内核启动

内核入口

C
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// arch/arm/kernel/head.S
ENTRY(stext)
    // 检查处理器ID
    bl  __lookup_processor_type
    // 检查机器类型
    bl  __lookup_machine_type
    // 创建页表
    bl  __create_page_tables
    // 启用MMU
    b   __enable_mmu
    // 跳转到C代码
    b   __mmap_switched
ENDPROC(stext)

start_kernel流程

C
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// init/main.c
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    // 早期设置
    setup_arch(&command_line);      // 架构相关初始化
    setup_log_buf(0);               // 日志缓冲区
    setup_nr_cpu_ids();             // CPU数量
    smp_prepare_boot_cpu();         // SMP准备
    
    // 内存管理初始化
    setup_per_cpu_areas();          // per-cpu区域
    build_all_zonelists(NULL);      // 内存区域
    page_alloc_init();              // 页分配器
    
    // 中断和时间初始化
    trap_init();                    // 陷阱门
    early_irq_init();               // 中断控制器
    tick_init();                    // 时钟
    init_timers();                  // 定时器
    hrtimers_init();                // 高精度定时器
    timekeeping_init();             // 时间保持
    time_init();                    // 架构时间初始化
    
    // 进程调度初始化
    sched_init();                   // 调度器
    
    // 工作队列和RCU
    workqueue_init_early();         // 工作队列
    rcu_init();                     // RCU
    
    // 中断后期初始化
    init_IRQ();                     // 中断
    softirq_init();                 // 软中断
    timekeeping_init();             // 时间
    
    // 进程1初始化
    rest_init();                    // 启动init进程
}

rest_init

C
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static noinline void __ref rest_init(void)
{
    // 创建内核线程init（PID 1）
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
    
    // 创建内核线程kthreadd（PID 2）
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
    
    // 启用调度
    schedule_preempt_disabled();
    
    // idle循环
    cpu_startup_entry(CPUHP_AP_ONLINE_IDLE);
}

kernel_init

C
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static int __ref kernel_init(void *unused)
{
    // 等待kthreadd完成
    wait_for_completion(&kthreadd_done);
    
    // 初始化驱动
    do_basic_setup();
    
    // 挂载根文件系统
    if (!ramdisk_execute_command)
        ramdisk_execute_command = "/init";
    
    if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
        ramdisk_execute_command = NULL;
        prepare_namespace();
    }
    
    // 执行init程序
    if (ramdisk_execute_command) {
        run_init_process(ramdisk_execute_command);
    }
    
    if (execute_command) {
        run_init_process(execute_command);
    }
    
    // 尝试标准init路径
    run_init_process("/sbin/init");
    run_init_process("/etc/init");
    run_init_process("/bin/init");
    run_init_process("/bin/sh");
    
    panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");
}

第三阶段：init进程

init程序功能

  1. 系统服务启动
  2. 启动系统服务
  3. 管理运行级别

  4. 进程监控和重启

  5. 用户登录

  6. 启动getty
  7. 处理用户登录

SysV init

Bash
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# /etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r
::shutdown:/bin/umount -a -r

systemd

Bash
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# 查看启动服务
systemctl list-units --type=service

# 启动服务
systemctl start myservice

# 开机自启
systemctl enable myservice

# 查看启动耗时
systemd-analyze
systemd-analyze blame

BusyBox init

Bash
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# /etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
ttyS0::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

initramfs

initramfs作用

  1. 加载必要的驱动模块
  2. 挂载真正的根文件系统
  3. 切换到根文件系统

initramfs结构

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initramfs/
├── bin/          基本命令
├── sbin/         系统命令
├── lib/          库文件
├── lib/modules/  内核模块
├── etc/          配置文件
├── dev/          设备节点
├── init          初始化脚本
└── usr/          用户程序

init脚本示例

Bash
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#!/bin/sh

# 挂载虚拟文件系统
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs none /dev

# 加载必要的模块
modprobe mmc_core
modprobe mmc_block
modprobe sdhci

# 挂载根文件系统
mkdir /mnt/root
mount -t ext4 /dev/mmcblk0p2 /mnt/root

# 切换到根文件系统
exec switch_root /mnt/root /sbin/init

启动时间优化

测量启动时间

Bash
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# 使用systemd-analyze
systemd-analyze time
systemd-analyze blame
systemd-analyze critical-chain

# 使用bootgraph
dmesg | perl scripts/bootgraph.pl > boot.svg

优化方法

  1. 内核优化

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    # 禁用不需要的驱动
# 使用内置驱动代替模块
# 压缩内核

  2. Bootloader优化

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    # 减少启动延时
setenv bootdelay 0

# 使用更快的存储设备

  3. 文件系统优化

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    # 使用更快的文件系统
# 减少启动服务
# 并行启动服务

启动问题排查

内核启动失败

Bash
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# 检查内核消息
dmesg

# 检查内核 panic
# 常见原因：
# - 根文件系统挂载失败
# - 缺少驱动
# - 内存不足

根文件系统挂载失败

Bash
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# 检查启动参数
cat /proc/cmdline

# 检查设备节点
ls /dev

# 检查文件系统类型
file -s /dev/mmcblk0p2

init失败

Bash
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# 检查init程序
ls -la /sbin/init

# 检查依赖库
ldd /sbin/init

# 尝试手动启动
init=/bin/sh

参考资料