Linux 系统启动到用户程序执行详细总结

1. 开机（Boot）

Linux 系统的启动从硬件上电开始，包括以下关键步骤：

1. BIOS/UEFI 阶段

   • BIOS（旧式）或 UEFI（新式）进行硬件初始化（CPU、内存、I/O 等）。

   • 加载 Bootloader（如 GRUB）到内存并跳转执行。

2. Bootloader 阶段

   • Bootloader 的主要任务是加载内核映像（vmlinuz）到内存。

   • 如果内核压缩过（bzImage），Bootloader 负责解压。

   • 设置启动参数（kernel command line）。

   • 将控制权交给内核入口点（start_kernel()）。

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2. 内核初始化（init）

内核接管后，开始进行 内核初始化：

1. 内核解压和早期初始化

   • 初始化内存管理、CPU、设备树（Device Tree）。

   • 建立中断向量表和页表。

   • 初始化内核模块子系统。

2. start_kernel()

   • 内核的 C 入口点。

   • 调用一系列初始化函数：

     • setup_arch()：架构相关初始化。

     • trap_init()：异常和中断初始化。

     • sched_init()：调度器初始化。

     • init_mm()：内存管理初始化。

     • rest_init()：创建第一个用户进程 init。

3. 第一个用户进程 init

   • 内核使用 kernel_init 启动第一个用户空间进程（PID=1）。

   • 默认路径为 /sbin/init 或 /init。

   • init 是用户空间的父进程，负责进一步启动用户空间环境。

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3. init → 启动脚本

init 的主要任务是根据系统配置启动各种服务和守护进程。

1. 传统 SysVinit

   • /etc/inittab 定义启动级别和执行脚本。

   • 根据运行级别执行 /etc/rc.d/rc*.d/ 下的启动脚本。

   • 脚本通过 start、stop 命令启动各类服务。

2. Systemd（现代 Linux）

   • /sbin/init 是 systemd。

   • 解析 unit 文件（.service、.target 等）。

   • 按依赖关系启动各类服务。

3. 核心机制

   • 脚本或 systemd unit 的执行最终通过 用户空间 fork/exec 系统调用 启动对应程序。

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4. init_module（内核模块初始化）

在启动脚本中，某些功能可能依赖 内核模块（Kernel Module），这时会涉及：

1. 模块加载

   • insmod / modprobe 命令会调用内核的 init_module() 系统调用。

   • 内核检查模块合法性（版本、符号依赖）。

   • 将模块映射到内核地址空间。

2. 模块初始化函数

   • 模块必须定义 module_init(my_init)。

   • 内核调用 my_init() 完成模块功能初始化。

   • init_module() 完成后模块可被系统使用。

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5. execve（程序执行）

启动脚本和服务会通过 execve() 系统调用加载实际的用户程序：

1. execve(path, argv, envp)

   • path：程序路径。

   • argv：参数数组。

   • envp：环境变量。

2. 内核执行过程

   • 检查文件权限和可执行性。

   • 解析 ELF 文件头（或其他可执行格式）。

   • 分配进程虚拟内存空间。

   • 加载 .text、.data 等段到内存。

   • 设置栈，复制 argv、envp。

   • 设置指令指针到程序入口（ELF 的 _start）。

3. 进程切换

   • 新程序替换旧程序的地址空间。

   • 内核调度器切换 CPU 执行新进程。

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6. 用户程序入口 → main

在用户程序空间：

1. ELF _start

   • 汇编入口点 _start（由编译器/链接器生成）。

   • 做了基本的栈初始化。

   • 调用 C 运行时初始化 crt0：

     • 设置 argc、argv、envp。

     • 初始化全局变量、stdin/stdout/stderr。

2. 调用 main()

   • _start 最终调用 main(argc, argv)。

   • 用户程序开始真正执行。

3. 程序退出

   • main 返回值传给 _exit() 系统调用。

   • 内核回收资源，父进程可通过 wait() 获取退出状态。

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总结流程图

[开机 BIOS/UEFI] 
      ↓
[Bootloader] → 加载内核
      ↓
[内核初始化 start_kernel()]
      ↓
[创建用户空间进程 init（PID=1）]
      ↓
[init → 启动脚本/服务]
      ↓
[需要内核功能 → init_module() 加载模块]
      ↓
[execve() 执行用户程序]
      ↓
[程序 ELF _start → crt0 初始化]
      ↓
[main(argc, argv)]

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🔑 重点

1. 开机阶段：硬件 → Bootloader → 内核

2. 内核阶段：内核初始化 → 第一个用户进程 init

3. 用户空间启动：init → 启动脚本 → 系统服务 → 模块加载

4. 用户程序执行：execve() → _start → main()

5. 模块机制：init_module 只在内核模块加载时用到，属于内核空间初始化，用户空间通过 insmod 调用。