Linuxの起動プロセスを徹底解説！BIOSからランレベルまで知っておくべき流れ

オープンソースOS「Linux」の起動には、いくつかの重要な段階があります。起動プロセス全体を理解しておくと、トラブル発生時の切り分けや復旧作業に大きく役立ちます。特にシステム管理者にとっては、押さえておきたい必須知識と言えるでしょう。

では、電源ボタンを押した瞬間からシステムが立ち上がるまでの間、裏側では一体何が起こっているのでしょうか。順を追って詳しく見ていきましょう。

BIOS（基本入出力システム）

BIOS（Basic Input/Output System）は、マザーボード上の小さなメモリチップに格納された低レベルのファームウェアです。このファームウェアは起動プロセスを支援するとともに、マウス、プリンター、ビデオアダプターなど、接続された周辺機器との間のデータのやり取りを管理します。

上図のとおり、BIOSの主な役割はPOST（Power-On Self Test：電源投入時セルフテスト）の実行です。このテストでは、システムハードウェアが正常に動作しているかを確認し、後続の処理に必要なソフトウェアを含むブートセクターを探します。POSTが成功すると、BIOSは次のステップである「第1段階ブートローダー」をシステムのRAMに読み込みます。

一方、POSTが失敗した場合は、BIOSがトラブルシューティングに使えるエラーコードを返します。

ブートローダー 第1段階

ブートローダーの第1段階は、MBR（Master Boot Record：マスターブートレコード）またはGPT（GUID Partition Table：GUIDパーティションテーブル）と呼ばれ、次のプログラムを起動させるための仕組みです。

MBRは非常にシンプルなソフトウェアで、ファイルシステムを認識する機能を持っていません。そのため、第2段階のブートローダーは、必ずMBRとハードディスクの最初のパーティションとの間に配置する必要があります。

MBRが第2段階のブートローダーを検出すると、そこに制御を引き渡します。

ブートローダー 第2段階

第2段階ブートローダーの役割は、カーネルを見つけ出してメモリに読み込むことです。

ほとんどのLinuxディストリビューションでは、GRUB、GRUB2、LILOの3種類のうちいずれかのブートローダーが使用されます。中でも最新のGRUB2（下図）を採用しているケースが最も多いでしょう。

ブートローダーがカーネルを検出してRAMに読み込むと、制御をカーネルへ引き渡します。同時に、カーネルがモジュールを探せるよう、ファイルシステムのイメージも一緒に渡します。

カーネル

すべてのカーネルは、ハードディスクの容量を節約するために圧縮形式で保存されています。そのため、制御を受け取ったカーネルが最初に行うのは自己展開（セルフ解凍）です。その後、ブートローダーから受け取ったファイルシステムのイメージをマウントします。

続いて、カーネルはシステムのハードウェアを検出し、メモリ上のイメージからディスク上のルートファイルシステムへと切り替えます。

init（systemd）

次に、カーネルは初期化（init）システムを起動します。これは、起動プロセスに必要なすべてのプロセスを生成する、最初のプロセスです。近年の多くのシステムでは、systemdが採用されています。

systemdの主な役割は、システムの稼働に必要なデーモン（バックグラウンドプロセスやサービス）をすべて起動することです。これらのサービスは初期化完了後も動作し続け、各種システムメッセージのログ記録、デバイスの監視、ファイルシステムとシステムメモリの同期維持など、重要なシステムプロセスを管理します。

systemdが現在どのサービスを実行しているのかを確認したい場合は、systemctlコマンドを単独で実行すれば、完全な一覧が表示されます。

また、systemctlコマンドとサービス名を組み合わせれば、起動時に特定のサービスを開始することもできます。例えば、NFSの状態を確認したい場合は systemctl status nfs-server.service と入力します。さらに、start、stop、enable、disable といったサブコマンドと組み合わせることで、サービスの開始・停止・自動起動の有効化／無効化も柔軟に行えます。

ランレベル

ランレベルとはinitの動作状態を表す概念で、どのサービスを実行するかを定義します。標準的なLinuxカーネルは、以下の7つのランレベルをサポートしています。

• 0： システム停止（電源オフ可能な状態）
• 1： シングルユーザーモード
• 2： マルチユーザーモード（ネットワークファイルシステムなし）
• 3： GUIではなくCLI（コマンドラインインターフェース）で動作するマルチユーザーモード
• 4： ユーザー定義
• 5： GUIを使用するマルチユーザーモード（多くのLinuxシステムのデフォルト起動モード）
• 6： 再起動

何らかの理由でランレベルを変更したい場合は、上図のように telinit コマンドを使ってINITに変更を指示します。

まとめ：起動プロセスを理解してトラブルに備えよう

ここまで紹介した内容は、Linuxの起動プロセスの全体像をつかむための概要であり、細部までは網羅していません。それでも、BIOSからランレベルまでの一連の流れを把握しておけば、実際に問題が発生した際に、どこに原因があるのかを切り分けやすくなるはずです。ぜひ本記事を参考に、トラブルシューティングの基礎知識として活用してください。