BOOTUP(7)

NAME
bootup - 系统启动流程

描述

在系统启动过程中要涉及多个不同的组件。 按下电源按钮后，首先BIOS/UEFI做最基本的硬件自检与初始化， 然后加载预设/手动选择的磁盘/网络上的引导加载器(例如GRUB2)， 引导加载器进一步从磁盘/网络上加载操作系统内核(例如Linux)。 对于Linux来说，内核将会(可选的)解压一个initrd(initial RAM disk)镜像(可以用 dracut(8) 之类的工具生成)， 并执行由"rdinit="内核引导选项指定的init程序(例如 systemd(1)) 以寻找并挂载根文件系统。 完成根文件系统的挂载之后，内核启动由"init="内核引导选项指定的init程序(例如 systemd(1)) 以接管系统的控制权。 该init程序将会负责检测所有其他的硬件设备、挂载必要的文件系统、启动所有必要的服务，等等。

关机时， init程序将会停止所有服务、 卸载所有文件系统、 (可选的)返回initrd环境卸载根文件系统， 最后关闭电源。

其他有关系统启动流程的信息可以参考 boot(7) 手册。

常规启动流程

当成功挂载了"root="内核引导选项指定的根文件系统之后，内核将启动由"init="内核引导选项指定的init程序， 从这个时间点开始，即进入了"常规启动流程"： 检测硬件设备并加载驱动、挂载必要的文件系统、启动所有必要的服务，等等。对于 systemd(1) 系统来说，上述"init程序"就是 systemd 进程， 而整个"常规启动流程"也以几个特殊的 target 单元(详见 systemd.target(5)) 作为节点，被划分为几个阶段性步骤。 在每个阶段性步骤内部，任务是高度并行的， 所以无法准确预测同一阶段内单元的先后顺序， 但是不同阶段之间的先后顺序总是固定的。

当启动系统时， systemd 将会以 default.target 为启动目标， 借助单元之间环环相扣的依赖关系，即可完成"常规启动流程"。 default.target 通常只是一个指向 graphical.target(图形界面) 或 multi-user.target(文本控制台) 的软连接。 为了强制启动流程的规范性以及提高单元的并行性， 预先定义了一些具有特定含义的 target 单元。详见 systemd.special(7) 手册。

下面的图表解释了 这些具有特定含义的 target 单元之间的依赖关系 以及各自在启动流程中的位置。 图中的箭头表示了单元之间的依赖关系与先后顺序， 整个图表按照自上而下的时间顺序执行。

    local-fs-pre.target
             |
             v
     (各个 mounts 与       (各个 swap      (各个加密块设备
     fsck services...)     devices...)        devices...)         (各个底层服务:      (各个底层虚拟
             |                  |                  |              udevd, tmpfiles,    文件系统 mounts:
             v                  v                  v              random seed,        mqueue, configfs,
      local-fs.target      swap.target     cryptsetup.target          sysctl, ...)      debugfs, ...)
             |                  |                  |                    |                    |
             \__________________|_________________ | ___________________|____________________/
                                                  \|/
                                                   v
                                            sysinit.target
                                                   |
              ____________________________________/|\________________________________________
             /                  |                  |                    |                    \
             |                  |                  |                    |                    |
             v                  v                  |                    v                    v
          (各个               (各个                |                  (各个           rescue.service
        timers...)          paths...)              |               sockets...)               |
             |                  |                  |                    |                    v
             v                  v                  |                    v              rescue.target
       timers.target      paths.target             |             sockets.target
             .                  |                  |                    |
             .                  \_________________ | ___________________/
             .................................... \|/
                                                   v
                                             basic.target
                                                   |
              ____________________________________/|                                 emergency.service
             /                  |                  |                                         |
             |                  |                  |                                         v
             v                  v                  v                                 emergency.target
         display-        (图形界面所必需    (各个系统服务)
     manager.service      的各个系统服务)          |
             |                  |                  |
             |                  |                  v
             |                  |           multi-user.target
             |                  |                  |
             \_________________ | _________________/
                               \|/
                                v
                      graphical.target

用斜体标识的目标单元经常被用作启动目标。 有两种方法可以指定启动目标： (1)使用 systemd.unit= 内核引导选项(参见 systemd(1))； (2)使用 default.target 软连接。

因为 timers.target 以异步方式包含在 basic.target 中， 所以 timer 单元可以依赖于在 basic.target 之后才启动的服务。

INITRD(INITIAL RAM DISK) 启动流程

在initrd内部， 也可以将 systemd 用作init程序(由"rdinit="内核引导选项指定)。

此时 initrd.target 将是默认目标。 initrd内部启动流程的上半部分与前一小节 basic.target 之前的部分完全相同。 随后的启动流程将以 initrd.target 为目标(如下图所示)。 当根文件系统设备可用时，将到达 initd-root-device.target 目标。 如果成功的将根文件系统挂载到 /sysroot 目录，那么 sysroot.mount 单元将被启动，然后进一步到达 initrd-root-fs.target 目标。 initrd-parse-etc.service 将会分析 /sysroot/etc/fstab 文件以挂载 /usr (若需要) 与带有 x-initrd.mount 标记的挂载点。 所有这些挂载点都将被挂载到 /sysroot 之下，然后流程到达 initrd-fs.target 目标。再接下来 initrd-cleanup.service 将会使用 systemctl --no-block isolate 命令启动 initrd-switch-root.target 目标。 因为 isolate 表示立即停止所有在新的目标单元中不需要的进程， 所以此动作实际上是为接下来切换根目录做预先的准备(也就是清理环境)。 最后，启动 initrd-switch-root.service 服务，将系统的根目录切换至 /sysroot 目录。

                                        (之前的流程与上一小节完全相同)
                                                   :
                                                   v
                                             basic.target
                                                   |                                 emergency.service
                            ______________________/|                                         |
                           /                       |                                         v
                           |            initrd-root-device.target                    emergency.target
                           |                       |
                           |                       v
                           |                  sysroot.mount
                           |                       |
                           |                       v
                           |             initrd-root-fs.target
                           |                       |
                           |                       v
                           v            initrd-parse-etc.service
                  (各个自定义的                    |
                 initrd services...)               v
                           |            (sysroot-usr.mount 以及
                           |             fstab 中带有 x-initrd.mount
                           |               标记的各个挂载点)
                           |                       |
                           |                       v
                           |                initrd-fs.target
                           \______________________ |
                                                  \|
                                                   v
                                              initrd.target
                                                   |
                                                   v
                                         initrd-cleanup.service
                              (使用 isolates 启动 initrd-switch-root.target)
                                                   |
                                                   v
                            ______________________/|
                           /                       v
                           |        initrd-udevadm-cleanup-db.service
                           v                       |
                  (各个自定义的                    |
                 initrd services...)               |
                           \______________________ |
                                                  \|
                                                   v
                                       initrd-switch-root.target
                                                   |
                                                   v
                                       initrd-switch-root.service
                                                   |
                                                   v
                                         切换到主机上的操作系统

关机流程

systemd 系统在关机时同样遵循固定的流程， 具体如下图所示：

         (与所有系统服务互斥)    (与所有文件系统 mounts, swaps, cryptsetup devices 互斥)
                |                                             |
                v                                             v
         shutdown.target                                 umount.target
                |                                             |
                \____________________________________   ______/
                                                     \ /
                                                      v
                                            (各个底层 services)
                                                      |
                                                      v
                                                final.target
                                                      |
                _____________________________________/ \_________________________________
               /                         |                        |                      \
               |                         |                        |                      |
               v                         v                        v                      v
    systemd-reboot.service   systemd-poweroff.service   systemd-halt.service   systemd-kexec.service
               |                         |                        |                      |
               v                         v                        v                      v
        reboot.target             poweroff.target            halt.target           kexec.target

用斜体标识的目标单元经常被用作关机目标。

参见

systemd(1), boot(7), systemd.special(7), systemd.target(5), dracut(8)