運維鍋總詳解系統啟動流程

本文詳細介紹Linux及Windows系統啟動流程，并分析了它們啟動流程的異同以及造成這種異同的原因。希望本文對您理解系統的基本啟動流程有所幫助！

一、Linux系統啟動流程

Linux 系統的啟動流程可以分為幾個主要階段，從電源開啟到用戶登錄。每個階段的具體步驟如下：

電源開啟（Power On）
- 計算機加電，硬件開始初始化。
BIOS/UEFI
- BIOS（基本輸入輸出系統）：在傳統計算機中，執行自檢（POST），初始化硬件，尋找啟動設備。
- UEFI（統一可擴展固件接口）：在現代計算機中，執行更復雜的初始化，包括自檢和系統配置。
硬件自檢（POST）
- BIOS POST：檢查和初始化計算機硬件（如 CPU、內存、硬盤等）。
- UEFI Initialization：執行硬件自檢并加載 UEFI 驅動程序。
啟動設備選擇（Boot Device Selection）
- BIOS/UEFI 查找并選擇啟動設備（硬盤、光盤、USB 等）。
加載引導加載程序（Load Bootloader）
- BIOS：從硬盤的 MBR（主引導記錄）讀取 GRUB 的 Phase 1 部分。
- UEFI：從 EFI 系統分區加載 EFI 引導加載程序。
GRUB 引導加載程序
- GRUB Phase 1：位于 MBR 中，執行基本引導操作并轉移控制到 Phase 1.5。
- GRUB Phase 1.5：提供對文件系統的支持，允許讀取 GRUB 配置和內核映像。
- GRUB Phase 2：顯示引導菜單，加載內核和 initramfs。
加載內核和 initramfs（Load Kernel and initramfs）
- GRUB Phase 2 加載操作系統內核和初始 RAM 文件系統（initramfs）。
內核初始化（Kernel Initialization）
- 解壓和初始化：內核解壓并初始化硬件。
- 掛載 initramfs：將 initramfs 掛載到文件系統中。
- 設備初始化：檢測和初始化系統硬件。
- 切換根文件系統：從 initramfs 切換到實際的根文件系統。
啟動 init 進程（Start init Process）
- init：啟動第一個用戶空間進程，負責系統的進一步初始化。
init 系統啟動（init System Startup）
- systemd：現代 Linux 系統通常使用 systemd 來管理系統服務，加載默認目標（例如 multi-user.target）。
- SysV init：傳統系統使用 SysV init，運行各類啟動腳本。
啟動系統服務（Start System Services）
- 根據配置啟動系統服務（如網絡、日志、調度服務等）。
- 掛載文件系統：確保系統必需的虛擬文件系統（如 /proc、/sys、/dev）已經掛載。
用戶空間初始化（User Space Initialization）
- 登錄管理器：啟動圖形或文本登錄管理器（如 GDM、LightDM、getty）。
- 用戶登錄：用戶輸入憑據進行登錄。
- 啟動用戶會話：初始化用戶會話環境。
- 加載用戶配置：加載用戶的配置文件（如 .bashrc）。
- 啟動用戶應用程序：啟動用戶的應用程序和服務。

Mermaid 圖表示

以下 Mermaid 圖表展示了 Linux 系統詳細啟動流程：

Mermaid 圖解釋

Power On：計算機加電。
BIOS/UEFI：系統固件初始化階段。
POST/UEFI Initialization：執行硬件自檢和初始化。
Boot Device Selection：選擇啟動設備。
Load Bootloader：從 MBR 或 EFI 系統分區加載引導加載程序。
GRUB Phase 1：從 MBR 中加載的引導階段。
GRUB Phase 1.5：提供文件系統支持的引導階段。
GRUB Phase 2：顯示引導菜單并加載內核。
Load Kernel and initramfs：加載內核和初始 RAM 文件系統。
Kernel Initialization：內核初始化及設備檢測。
Mount initramfs：掛載 initramfs。
Device Initialization：初始化系統硬件。
Switch Root Filesystem：切換到實際根文件系統。
Start init Process：啟動 init 進程（PID 1）。
init Process：啟動系統服務和設置。
systemd/SysV init：現代或傳統的 init 系統管理。
Start System Services：啟動系統服務并掛載文件系統。
Launch Login Manager：啟動登錄管理器。
User Login：用戶登錄系統。
Start User Session：啟動用戶會話環境。
Load User Configuration：加載用戶配置文件。
Start User Applications：啟動用戶應用程序。

這個圖表和解釋幫助理解 Linux 系統從啟動到用戶登錄的整個流程。

二、Windows系統啟動流程

Windows 系統的啟動流程包括多個階段，從計算機加電到用戶可以使用系統的完整過程。以下是詳細的啟動流程解釋，以及相應的 Mermaid 圖表示。

1. 電源開啟（Power On）

描述：計算機接通電源，硬件組件（如 CPU、內存、主板等）開始初始化。

2. BIOS/UEFI

BIOS（基本輸入輸出系統）：傳統的固件接口，負責執行硬件自檢（POST），初始化系統硬件，尋找啟動設備。
UEFI（統一可擴展固件接口）：現代的固件接口，取代了傳統的 BIOS，提供更多的功能和配置選項，如支持大容量硬盤（GPT）、快速啟動和安全啟動等。

3. 硬件自檢（POST）

描述：BIOS/UEFI 執行自檢，檢查系統硬件（CPU、內存、顯卡等）是否正常工作，確保系統可以正常啟動。

4. 啟動設備選擇（Boot Device Selection）

描述：BIOS/UEFI 確定并選擇用于啟動操作系統的設備，如硬盤、光盤、USB 等。

5. 加載引導加載程序（Load Bootloader）

BIOS：從硬盤的 MBR（主引導記錄）加載引導程序。
UEFI：從 EFI 系統分區加載 Windows Boot Manager（bootmgfw.efi）。

6. Windows Boot Manager（Bootmgr）

描述：Windows Boot Manager 負責讀取引導配置數據（BCD），決定啟動哪個操作系統或引導選項。

7. 讀取引導配置數據（Read BCD）

描述：讀取 BCD（Boot Configuration Data），這是一個包含操作系統引導配置信息的數據庫。

8. 顯示引導菜單（如果需要）（Display Boot Menu (if needed)）

描述：如果系統配置了多個操作系統或引導選項，顯示引導菜單供用戶選擇。

9. 加載 Windows 內核（Load Windows Kernel）

描述：加載 Windows 內核（ntoskrnl.exe），操作系統的核心組件。

10. 初始化硬件抽象層（HAL）（Initialize HAL）

描述：初始化硬件抽象層（HAL），提供硬件平臺的抽象接口。

11. 加載系統驅動程序（Load System Drivers）

描述：加載必要的系統驅動程序，以支持系統硬件和設備。

12. 初始化設備（Initialize Devices）

描述：初始化系統中的硬件設備，如存儲設備、網絡設備、輸入設備等。

13. 啟動系統服務（Start System Services）

描述：啟動系統服務和后臺進程，確保操作系統功能正常運行。

14. 加載用戶登錄界面（Load User Login Interface）

描述：加載用戶登錄界面（Winlogon），處理用戶登錄過程。

15. 用戶登錄（User Login）

描述：用戶輸入憑據進行登錄驗證。

16. 啟動用戶會話（Start User Session）

描述：開始用戶會話，加載用戶配置和桌面環境。

17. 加載資源管理器（Explorer.exe）（Load Explorer.exe）

描述：啟動 Windows 資源管理器，提供圖形用戶界面。

18. 加載用戶配置（Load User Configuration）

描述：加載用戶的桌面設置和個人配置文件。

19. 啟動用戶應用程序（Start User Applications）

描述：根據用戶設置自動啟動應用程序和服務，準備好用戶使用。

Mermaid 圖表示

以下是用 Mermaid 圖表示的 Windows 系統啟動流程：

Mermaid 圖解釋

Power On：計算機加電，開始啟動過程。
BIOS/UEFI：固件階段，負責硬件自檢和選擇啟動設備。
POST：執行硬件自檢，確保系統組件正常工作。
UEFI Initialization：UEFI 環境下的硬件初始化。
Boot Device Selection：選擇啟動設備，準備加載引導加載程序。
Load Bootloader：根據環境加載相應的引導加載程序。
Bootmgr：Windows 引導管理器，負責讀取引導配置。
Read BCD：讀取引導配置數據，決定引導選項。
Display Boot Menu：如果配置了多個操作系統，顯示引導菜單。
Load Windows Kernel：加載 Windows 內核，啟動操作系統。
Initialize HAL：初始化硬件抽象層，為操作系統提供硬件抽象接口。
Load System Drivers：加載系統驅動程序，支持硬件設備。
Initialize Devices：初始化系統中的硬件設備。
Start System Services：啟動系統服務和后臺進程。
Load User Login Interface：加載用戶登錄界面，處理用戶登錄過程。
User Login：用戶輸入憑據進行登錄驗證。
Start User Session：開始用戶會話，加載用戶配置。
Load Explorer.exe：啟動 Windows 資源管理器，提供圖形用戶界面。
Load User Configuration：加載用戶的桌面設置和個人配置文件。
Start User Applications：啟動用戶應用程序，準備好用戶使用。

這個圖表和解釋展示了從計算機加電到用戶能夠操作系統的整個啟動過程，幫助理解 Windows 系統的啟動機制。

三、Linux與Windows啟動流程差異對比

Windows 和 Linux 系統的啟動流程雖然有很多相似之處，但也存在一些顯著的差異。這些差異主要來源于它們的設計目標、歷史背景和系統架構。下面是對兩者啟動流程的比較分析。

相似之處

電源開啟（Power On）
- 兩者都從計算機加電開始，硬件初始化。
BIOS/UEFI
- 無論是 Windows 還是 Linux，啟動過程都依賴 BIOS 或 UEFI 進行硬件初始化和啟動設備選擇。
硬件自檢（POST）
- 在 BIOS/UEFI 階段，都會執行硬件自檢以確保所有關鍵硬件正常工作。
引導加載程序（Bootloader）
- 兩者都使用引導加載程序來加載操作系統。Windows 使用 Bootmgr，而 Linux 使用 GRUB、LILO 或其他引導加載程序。
操作系統內核加載
- 引導加載程序將控制權交給操作系統內核，內核開始初始化系統和設備。
系統服務啟動
- 內核初始化后，都會啟動系統服務和后臺進程，以準備系統供用戶使用。
用戶界面加載
- 最后，加載用戶界面（Windows 啟動 Explorer.exe，Linux 啟動圖形界面管理器如 GNOME、KDE）。

不同之處

引導加載程序
- Windows:
  - 使用 Bootmgr（Windows Boot Manager），引導管理器從 EFI 系統分區或 MBR 中加載操作系統。
  - 在 UEFI 模式下，Bootmgr 被加載自 EFI 系統分區（ESP）。
- Linux:
  - 使用多種引導加載程序，如 GRUB（Grand Unified Bootloader）、LILO（Linux Loader）等。
  - GRUB 有兩個階段：階段 1（最小的引導代碼）、階段 1.5（包含文件系統支持）、階段 2（完整的引導菜單和功能）。
內核加載
- Windows:
  - ntoskrnl.exe（Windows 內核）和 HAL.dll（硬件抽象層）會被加載和初始化。
- Linux:
  - 內核鏡像通常為 vmlinuz，并由引導加載程序加載。
  - 內核初始化后，系統會啟動 init 或 systemd（現代系統使用），負責啟動系統服務和用戶會話。
系統服務和進程管理
- Windows:
  - 使用 Service Control Manager (SCM) 啟動和管理系統服務。
  - Winlogon 負責用戶登錄和會話管理。
- Linux:
  - 傳統上使用 SysVinit，現代系統使用 systemd 或 Upstart 來管理系統服務。
  - systemd 是現代 Linux 發行版的默認初始化系統和服務管理器，負責服務啟動、系統狀態管理等。
用戶界面
- Windows:
  - 加載 Explorer.exe，提供圖形用戶界面和桌面環境。
- Linux:
  - 加載圖形用戶界面管理器，如 GNOME、KDE、Xfce 等。
  - 桌面環境的啟動可以通過 display manager（如 GDM、LightDM）完成。

總結

引導加載程序：Windows 使用 Bootmgr，Linux 使用 GRUB 或其他引導加載程序。
內核加載：Windows 內核加載的是 ntoskrnl.exe，Linux 內核是 vmlinuz。
系統服務管理：Windows 使用 SCM 和 Winlogon，Linux 使用 SysVinit、systemd 或 Upstart。
用戶界面：Windows 加載 Explorer.exe，Linux 加載不同的圖形桌面環境和顯示管理器。

這些差異主要來源于操作系統的不同設計理念和歷史背景。Windows 系統旨在提供集成的、易于使用的圖形界面和一致的用戶體驗，而 Linux 系統提供更大的靈活性和自定義選項，以滿足多樣化的需求。

四、不同的設計理念和歷史背景

Windows 和 Linux 系統在設計理念和歷史背景上的不同，導致了它們在啟動流程、系統架構和用戶體驗上的差異。下面詳細解釋這些不同的設計理念和歷史背景。

1. 設計理念

Windows 系統

用戶友好和一致性
- 目標：提供一致的用戶體驗，注重用戶友好性和易用性。
- 集成度：將操作系統、用戶界面、系統服務和應用程序集成在一個整體中，減少用戶需要處理的技術細節。
- 封閉性：Windows 是一個閉源系統，Microsoft 控制了系統的各個方面，包括引導過程、驅動程序、系統服務和用戶界面。
- 兼容性：注重向后兼容性，確保舊版應用程序在新版本系統上也能運行。
簡化用戶管理
- 系統服務：使用 Service Control Manager（SCM）管理系統服務，提供簡化的服務管理接口。
- 圖形界面：Windows 提供圖形化的用戶界面，用戶通過圖形界面進行系統管理和設置，而不是命令行。

Linux 系統

靈活性和自定義
- 目標：提供靈活的配置選項，允許用戶和管理員根據需求自定義和調整系統。
- 模塊化：系統組件和服務是模塊化的，用戶可以根據需要選擇和安裝不同的組件。
- 開源：Linux 是開源的，允許用戶查看、修改和分發源代碼。這種開放性促進了社區的貢獻和創新。
- 多樣性：存在多種發行版（如 Ubuntu、CentOS、Debian），每個發行版有自己的特點和目標用戶群體。
命令行和腳本化管理
- 系統服務：使用 systemd、SysVinit 或 Upstart 等不同的初始化系統來管理系統服務，這些工具提供了強大的命令行管理能力。
- 圖形界面：雖然 Linux 提供了多種圖形用戶界面（如 GNOME、KDE），但許多操作和管理任務仍然通過命令行完成，允許用戶高度自定義系統行為。

2. 歷史背景

Windows 系統

早期發展
- 歷史：Windows 系統最初由 Microsoft 開發，目標是為個人電腦提供一個用戶友好的操作系統。Windows 1.0 于 1985 年發布。
- 發展：隨著 Windows 版本的不斷升級，Microsoft 引入了新的功能和改進，同時保持了對舊版應用程序的兼容性。
企業導向
- 商業模式：Windows 的商業模式主要是通過授權和銷售許可證來盈利，Microsoft 控制了操作系統的每個方面，包括硬件兼容性和軟件更新。
- 封閉開發：微軟保持了操作系統的封閉性，限制了用戶對系統內部機制的訪問和修改。

Linux 系統

開源運動
- 歷史：Linux 內核由 Linus Torvalds 于 1991 年發布，旨在創建一個自由、開源的操作系統內核。Linux 基于 Unix 的設計理念。
- 發展：Linux 社區不斷發展和改進操作系統，形成了眾多不同的 Linux 發行版，支持各種硬件平臺。
社區驅動
- 開放開發：Linux 是一個開源項目，全球的開發者可以參與其中，修改和改進代碼。這種開放性促進了快速的創新和功能擴展。
- 多樣性：Linux 的多樣性體現在不同的發行版、桌面環境和管理工具上，用戶可以根據自己的需求選擇適合的版本和配置。