linux 启动过程 GRUB 引导流程

 

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Boot loader引导加载器，用来引导系统的启动，它把用户选定的内核加载到内存空间中，把控制权交给内核。
　　Windows下引导加载器：ntloader
　　Linux下引导加载器：
　　　　LILO：LInux LOader
　　　　GRUB：GRand Unified Bootloader
　　　　　　GRUB Legacy 0.X 传统版本为0.X
　　　　　　GRUB2    1.X 与传统版本完全不一样的1.X版本
    功能：提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或内核版本；把用户选定内核装载到RAM的特定空间中并解压展开，而后把系统控制权移交给内核；
    MBR所给予的空间毕竟太小，容不下较大的引导程序，因此grub程序被分为三段："stage 1" 被装入磁盘的MBR中；特殊的"stage 1.5"被装入MBR随后的扇区，它能够识别内核和"stage 2"所在分区的文件系统格式并帮助引导"stage 2"，它是"stage 1"和"stage 2"之间的纽带；"stage 2"位于文件系统上。stage 2程序和grub.conf可以与内核文件处于不同的分区上(但必须位于同一磁盘)，只要"stage 1.5"能够驱动它们各自所在的分区。
    GRUB引导过程分为三段：
      stage1：MBR(0柱面0磁道1扇区)
      stage1_5：MBR随后的扇区
      stage2：读取grub.conf配置文件，并实现引导功能的扩展

  Kernel：加载系统内核，执行系统初始化信息
  在GRUB中选定内核进入，内核会对自身初始化；探测可识别到的所有硬件设备，加载硬件驱动程序(有可能需要借助ramdisk加载驱动)；以只读方式挂载根文件系统；运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
 Centos5：initrd
　　initrd文件生成工具程序：mkinitrd
  Centos6,7：initramfs(cpio格式)
　　initramfs文件生成工具程序：dracut、mkinitrd

 ramdisk：Linux内核的特性之一，使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问：
　　为什么将initrd改为initramfs，前者把内存模拟成磁盘，后者直接把内存模拟成文件系统；如果模拟成磁盘，将磁盘加载到内存中，内核需将initrd再次缓存到内核的内存空间当中，相当于在内存中缓存两次；但是如果模拟成文件系统，内核可以直接访问文件系统所在的内存空间，这样效率更高性能更好
　　initrd 、initramfs都属虚拟文件系统，在早期的linux系统中，一般只有硬盘或者软盘被用来作为Linux根文件系统的存储设备，因此也就很容易把这些设备的驱动程序集成到内核中。但是现在的Linux系统中可能将根文件系统保存到各种存储设备上，包括scsi、sata，usb-disk等等。如果把这些设备的驱动代码全部编译到内核中内核会很庞大。
　　为了解决这一矛盾，于是出现了基于ramdisk的initrd( bootloader initialized RAM disk )。initrd是一个被压缩过的小型根目录，这个目录中包含了启动阶段中必须的驱动模块、可执行文件和启动脚本。当系统启动的时候bootloader会把initrd文件读到内存中，然后把initrd文件在内存中的起始地址和大小传递给内核。内核在启动初始化过程中会解压缩initrd文件，然后将解压后的initrd挂载为根目录，并执行根目录中的/linuxrc脚本(cpio格式的initramfs为/init，而image格式的initrd为/linuxrc），脚本会加载真实文件系统中存放的设备驱动程序，以及在/dev目录下创建必要的设备节点。这样就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中。

　　Linux 发行版在内核中只编译了基本的硬件驱动，在Linux系统安装过程中通过检测系统硬件，生成包含安装系统硬件驱动的initrd，在内核引导过程中先加载initrd虚拟文件系统，然后由initrd挂载真正的文件系统，完成后initrd从RAM中退出，并不消耗内存，initrd只是一个暂时的文件系统。
　　在Linux2.5内核中出现了initramfs，它的作用和initrd类似，只是和内核编译成一个文件(initramfs是经过gzip压缩后的cpio格式文件)，该cpio格式的文件被链接进了内核中特殊的数据段.init.ramfs上，其中全局变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址。内核启动时会对.init.ramfs段中的数据进行解压，然后使用它作为临时的根文件系统。

  initrd与initramfs的区别：
　　initrd是init ram disk，initramfs是init ram file system，前者把内存模拟成磁盘，后者直接把内存模拟成文件系统
　　cpio-initrd(initramfs)的处理流程
　　　　1、boot loader 把内核以及 initrd 文件加载到内存的特定位置
　　　　2、内核判断initrd的文件格式，如果是cpio格式
　　　　3、将initrd的内容解压到rootfs中
　　　　4、执行initrd中的/init文件，切换到真实的根文件系统，执行/sbin/init
　　image-initrd(initrd)的处理流程
　　　　1、boot loader把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。
　　　　2、内核判断initrd的文件格式，如果不是cpio格式，将其作为image-initrd处理。
　　　　3、内核将initrd的内容保存在rootfs下的/initrd.image文件中。
　　　　4、内核将/initrd.image的内容读入/dev/ram0设备中，也就是读入到一个内存盘中。
　　　　5、接着内核以可读写的方式把/dev/ram0设备挂载为原始的根文件系统。
　　　　6、如果/dev/ram0被指定为真正的根文件系统，那么内核跳至最后一步正常启动。
　　　　7、执行initrd上的/linuxrc文件，linuxrc通常是一个脚本文件，负责加载内核访问根文件系统必须的驱动， 以及加载根文件系统。
　　　　8、/linuxrc执行完毕，真实的根文件系统被挂载
　　　　9、如果真实根文件系统存在/initrd目录，那么将/dev/ram0从/移动到/initrd；如果不存在/initrd目录，/dev/ram0将被卸载。
　　　　10、在真实根文件系统上进行正常启动过程 ，执行/sbin/init。

 

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GRUB(bootloader)引导流程：
  GRUB，GRand Unified Bootlader ，是一个来自GUN项目的多操作系统启动程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。
  grub版本：
　　grub 0.x：grub(legacy) Centos 5,6
　　grub 1.x：grub2 　　　　Centos 7

  grub legacy版本：
  工作流程：当系统启动时，如果要加载grub所在的磁盘时，会读取这个磁盘的MBR，同时会加载stage1，stage1会尝试读取后扇区的stage1_5阶段，stage1_5阶段会帮助stage1中的bootloader识别stage2所在的分区上的文件系统，然后加载stage2所在的磁盘分区，这个分区不但有stage2阶段，还有内核和ramdisk等。

　　stage1：运行Boot Loader主程序，这个程序必须要安装在启动区，即MBR中。因为MBR空间有限，因此在MBR当中仅安装Boot Loader的最小程序，并没有安装Boot Loader的相关配置文件
　　stage1_5：MBR之后的扇区，让stage1中的BootLoader能识别stage2所在的分区上的文件系统(相当于文件系统的驱动)
　　stage2：boot目录所在的磁盘分区(/boot/grub)
　　配置文件：/etc/grub.conf软链接到/boot/grub/grub.conf
       /boot/grub/menu.lst软链接到/boot/grub/grub.conf

　stage2及内核等通常放置于一个基本磁盘分区(boot分区)
　　boot单独分区是用来存放与Linux系统启动有关的程序，比如内核文件、启动引导装载程序，启动菜单配置文件等；
　　boot作为一个单独的分区，也就意味着这个单独分区下有一个grub，因为grub刚启动的时候，操作系统还没有启动(真正的根文件系统还没有被加载)，所以，不能通过访问/boot/grub来实现，但是我们又需要访问这个文件来执行stage2 阶段。所以，grub中就有一个root命令，指明的就是把stage2 阶段直设为根，而grub自带有文件系统驱动(stage 1.5)，所以就可以直接访问分区及根下的所有文件即kernel，initrd等来选择内核启动；
　　boot目录，有没有单独分区(或者说引导分区是不是一个独立的分区)，决定了在grub中的访问路径是否一样。而grub中的root命令，指明的就是这个根分区是谁，如果boot被单独分区了，那么就直接指向这个新分区，访问路径就直接把boot给去掉了；如果boot没有被单独分区，就是挂在根分区上，那就意味着/boot目录是绕不过去的，访问的时候只能先访问根，在访问根下的boot。
　　grub要想访问某一分区，这个分区必须是基本磁盘分区，不可能是提供了非常复杂的驱动程序(RAID或LVM)。如果想把根做的复杂些(比如LVM)但又不对boot做单独分区，那把逻辑卷往分区上一放，就找不到grub中的stage2阶段了，所以，要想把根做的复杂，就只能把boot作为一个单独的基本磁盘分区；
　　如果不使用逻辑卷，boot是可以不用单独分区的。

  stage2的主要功能：
　　1、提供菜单、并提供交互式接口
　　  e：编辑模式，用于编辑菜单
　　  c：命令模式，交互式接口

　　2、 加载用户选择的内核或操作系统
　　  允许传递参数给内核
　　  可隐藏此菜单
　　3、为菜单提供了保护机制
　　  为编辑菜单进行认证
　　  为启用内核或操作系统进行认证

　　GRUB识别硬盘设备：(hd#,#)表示第几块磁盘的第几块分区
　　  hd# 磁盘编号用数字表示，从0开始编号
　　  #  分区编号用数字表示，从0开始编号
   例如(hd0,0)表示第一块硬盘的第一个分区

grub命令行接口：
  help：获取帮助列表
  help KEYWORD：查看指定命令的详细帮助信息
  find (hd#,#)/PATH/TO/SOMEFILE：查找某个磁盘上的某个文件
  root (hd#,#)：设置grub的根设备(boot目录所在的磁盘设备)
  initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE：设定选定内核配套的ramdisk文件
  boot：引导启动选定的内核
  kernel /PATH/TO/KERNEL_FILE：设定本次启动时用到的内核；额外还可以添加许多内核支持的cmdline参数：
　　例如：init=/path/to/init, selinux=0
　　内核支持的启动参数：
　　  磁盘相关启动参数：
　　　　root 指定启动系统的真实根文件系统所在分区 如：root=/dev/sda1
　　　　ro  指定根设备在启动过程中为readly-only(只读)，默认情况下为ro(这里根设备指的是grub的根设备)
　　　　rw  指定根设备在启动过程中为read-write(读写)
　　　　rootfstype 指定根文件系统类型，如：rootfstype=ext4

　　  console和kernel log相关的启动参数：
　　　　console console的设备和选项，如：console=tty0，console=ttyS0
　　　　debug  enable kerneldebugging 系统启动中的所有debug信息
　　　　quiet  静默模式将kernel loglevel设置为KERN_WARNING，在启动中指非常严重的信息
　　　　loglevel 设置默认的console日志级别，如：loglevel=7（0~7数字分别为KERN_EMERG,…,KERN_DEBUG）
　　　　time   设置在每条kernel log信息前加一个时间戳

　　  内存相关的启动参数：
　　　　mem 指定kernel使用的内存量，mem=n[KMG]
　　　　hugepages 设置大页表页(4MB大小)的最多个数，hugepages=n

　　  CPU启动的相关参数：
　　　　mce     #Enable the machine check exception feature.
　　　　nosmp   #Run as a single-processor machine. 只使用一个处理器，不使用SMP（多处理器）
　　　　max_cpus #max_cpus=n, SMP系统最多能使用的CPU个数

　　  Ramdisk相关的启动参数：
　　　　initrd  指定初始化ramdisk的位置，initrd=filename
　　　　noinitrd 不使用initrd的配置，即使配置了initrd参数

　　  初始化相关启动参数：
　　　　init 在启动时去执行的程序，init=filename，默认值为/sbin/init

　　  PCI相关的启动参数：
　　　　pci #pci相关的选项，我常使用pci=assign_buses，也使用过pci=nomsi

　　  SELinux相关启动参数：
　　　　enforcing #SELinux enforcing状态的开关，enforcing=0表示仅仅是记录危险 而不是阻止访问，enforcing=1完全enable，默认值是0
　　　　selinux 在启动时关闭或开启SELinux，selinux=0表示关闭，selinux=1表示开启selinux

  手动在grub命令行启动系统：
　　grub> root(hd#,#)
　　grub> kernel /vmlinuz-VERSION-RELEASE ro root=/dev/DEVICE
　　grub> initrd /initramfs-VERSION-RELEASE.img
　　grub> boot

配置文件：/boot/grub/grub.conf
  default=# 设定默认启动菜单项；菜单项(title)编号从0开始
  timeout=# 指定菜单项等待选择的时长
  splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_PIC_FILE 指明菜单背景图片文件路径
  hiddenmenu 隐藏菜单，如果有多个菜单项，只显示默认启动菜单项
  password [--md5] STRING 编辑菜单项需要认证
  title TITLE 定义菜单项"标题", 可出现多次
　　root (hd#,#) grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub的"根"
　　kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS] 启动的内核文件
　　initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE 与内核匹配的initramfs文件
　　password [--md5] STRING 启动选定内核或操作系统时需要认证

  每行详细解释：
　　default=#: 设定默认启动的菜单项；假如同时装有多个操作系统，0表示定义的第一个title系统，1表示定义的第二个title系统，以此类推
　　timeout=#：表示可供选择的等待时间，如果超出5秒，则使用默认的启动条目default定义的
　　splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_FILE：菜单背景图片文件路径
　　hiddenmenu：隐藏菜单，默认是不显示菜单信息，如果要想显示菜单，可以将该配置信息注释即可
　　password [--md5] STRING: 启动菜单编辑认证
　　title TITLE：定义菜单项“标题”（操作系统名称）, 可出现多次，用来引导不同的操作系统或内核
　　  root (hd#,#)：grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub"根"。也就是说，表示的是内核文件的存放位置，这里指的是分区位置，而非根目录
　　  kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS]：内核的名称，以及一些启动时的核心参数。由于启动过程中需要挂载根目录，因此就需要指定根目录所在的分区。rhgb表示色彩显示，quiet表示静默模式加载内核
　　  initrd/PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 内核匹配的ramfs文件，虚拟文件系统
　　  password [--md5] STRING: 启动选定的内核或操作系统时进行认证

grub-md5-crypt命令生成密钥：
  [root@localhost ~]# grub-md5-crypt
  Password:
  Retype password:
  $1$TcvuB$S9n4SJLUnvoM3NXYT6Fk2.
  编辑grub.conf文件将秘钥添加到相应位置vim /etc/boot/grub.conf
  passwd --md5 $1$TcvuB$S9n4SJLUnvoM3NXYT6Fk2.

实验1：为编辑启动菜单进行认证；为启用内核或操作系统进行认证
  1、复制一份内核文件，改名为Tao Linux，并分别在第一个title之前和第二个title之后添加生成的加盐密码，保存并退出，并重启系统；

  2、重启系统之后发现要为进行编辑启动菜单的认证，效果如下：

  3、按“p”键输入密码之后，可以发现原来的提示信息又回来了，这是我们就可以编辑了

 

  4、选择第二个内核作为启动程序，按回车键发现要想启动内核，要输入密码认证，说明我们为内核设置的密码，起作用了。

 

进入单用户模式：
1、编辑grub菜单(选定要编辑的title，按"e"命令进行编辑)
2、在选定的kernel后添加1, s, S或single参数都可以
3、在kernel所在行，按"b"命令启动kernel

实验2：单用户模式下修改密码
1、在进入开机界面的时候，按任意键进入菜单界面

2、因为我们在编辑启动菜单前设置了认证，所以需要输入密码，按"p"输入密码后进入编辑菜单，然后选定要启动的内核，按"e"键进入编辑模式

 

3、选定好要启动的kernel后，按"e"键进入，然后在选定的内核后添加1, s, S或single，然后按回车键，紧接着在kernel所在行输入"b"进入单用户模式

grub安装：出现grub损坏或给其它硬盘安装grub
  1、通过grub-install命令进行grub安装(这种方式二进制类的文件可以恢复，但是背景图片和grub.conf的文件不能恢复。会安装grub stage1和stage1_5到/dev/DISK磁盘上，并复制GRUB相关文件到 DIR/boot目录下(这里的DIR指的是boot目录的上一级目录)
　　grub-install -root-directory=DIR /dev/sda
  2、在grub命令行进行grub安装，需要依赖/boot/grub/目录中除grub.conf之外的其它文件，这些文件都是完好存在情况下才能安装
　　grub> root (hd#,#)
　　grub> setup (hd#)

示例1：重新安装grub, 用grub-install安装
　　1、 dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1  模拟破坏掉grub的stage 1(bootloader)
　　2、grub-install --root-directory=/ /dev/sda  重新安装grub

示例2：在grub命令提示符下修复grub(需要依赖/boot/grub/中的除grub.conf之外的文件都是完好情况下)
　　1、dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1  模拟破坏掉grub的stage 1(bootloader)
　　2、grub  进入grub命令提示符下
　　3、root (hd0,0)  指定grub的根所在的硬盘分区(也就是boot目录所在的硬盘分区)
　　4、setup (hd0)  开始安装grup，需要指定grub所在硬盘
　　5、quit命令退出grup命令行模式

示例3：在紧急救援模式下修复grub(在grub损坏情况下设备重启了，这时候肯定起不来了)
　　1、dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1  模拟破坏掉grub的stage 1(bootloader)
　　2、reboot  重启设备加载安装光盘，进入救援模式

选择将根文件系统挂载到救援模式系统的/mnt/sysimage目录

提示挂载成功，并可以通过chroot命令切换根

启动shell

3、进入shell界面，切换根开始修复grub

总结：GRUB启动故障排除案例
　　1、MBR中grub损坏，1_5阶段的数据损坏，2阶段的grub损坏
　　2、initramfs*.img文件损坏，内核文件损坏
　　3、/boot/grub/grub.conf文件丢失
　　4、/etc/fstab丢失，无法挂载根等文件系统
　　5、/boot 目录全部的文件丢失

解决方法(都是在救援模式下)
　　1、MBR中grub损坏，1_5阶段的数据损坏，2阶段的grub损坏；救援模式：
　　  chroot /mnt/sysimage 切根，改变磁盘根目录
　　  grub-install /dev/sda 安装grub引导程序到磁盘/dev/sda的MBR扇区

　　2、initramfs*.img文件损坏，内核文件损坏
　　  initramfs*.img文件损坏，解决方法：
　　  # chroot=/mnt/sysimage
　　  # mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r) #创建
　　内核文件损坏
　　  # mkdir /mnt/cdrom
　　  # mount /dev/cdrom /mnt/cdrom 挂载光盘
　　  进入/mnt/cdrom/Packages/ 目录下覆盖安装kernel包,
　　　rpm -ivh–replacepkgs kernel-VERSION.rpm –root=/mnt/sysimage –force
　　  安装完成后会在/boot目录下自动生成相应版本的vmlinuz文件.(前提是内核版本未更新, 和光盘中的内核版本一致)

　　3、/boot/grub/grub.conf文件丢失
　　  这个新建一个写上引导等信息就行

　　4、/etc/fstab丢失，无法挂载根等文件系统
　　  同样新建一个/etc/fatab、填写上挂载信息
　　  LVM的话需要激活LVM逻辑卷

　　5、/boot目录全部的文件丢失
  　　结合上面，先MBR修复，然后内核文件修复和initramfs*.img文件修复

示例4：虚拟机下手动制作grub
　　1、准备好一个新硬盘，分3个分区(根分区、swap、boot)分别格式化，这里的boot单独分一个区
　　　　/boot：mkfs.ext4 /dev/sdb1
　　　　/：mkfs.ext4 /dev/sdb2
　　　　swap：mkswap /dev/sdb3
　　2、模拟启动时的boot目录，将其挂载到当前系统/mnt/boot/目录(创建的目录名一定要为boot)
　　　　mkdir /mnt/boot
　　　　mount /dev/sdb1 /mnt/boot
　　3、将制作grub到新硬盘的boot分区(指定根目录就是boot目录所在的上一级目录)
　　　　grub-install --root-directory=/mnt /dev/sdb
　　4、复制当前系统的内核文件和initramfs文件到/mnt/boot/目录中，并手动创建grub.conf配置文件
　　　　cp /boot/vmlinuz-2.6.32-573.el6.x86_64 /mnt/boot/vmlinuz
　　　　cp /boot/initramfs-2.6.32-573.el6.x86_64.img /mnt/boot/initramfs.img
　　　　vim /mnt/boot/grub/grub.conf
　　　　　　default=0
　　　　　　timeout=5
　　　　　　title centos 6 (Express)
　　　　　　root (hd0,0)
　　　　　　kernel /vmlinuz ro root=/dev/sda2 selinux=0 init=/bin/bash
　　　　　　initrd /initramfs.img
　　5、为根分区创建常用的一级子目录
　　　　mkdir /mnt/sysroot
　　　　mount /dev/sdb2 /mnt/sysroot/
　　　　cd /mnt/sysroot/
　　　　mkdir -pv etc bin sbin lib lib64 dev proc sys tmp var usr home root mnt media
　　6、拷贝bash程序和依赖的库文件到根文件系统上的对应目录
　　　　cp /bin/bash /mnt/sysroot/bin/
　　　　ldd /bin/bash  查看bash程序依赖的库文件
　　　　cp /lib64/libtinfo.so.5 /mnt/sysroot/lib64/
　　　　cp /lib64/libdl.so.2 /mnt/sysroot/lib64/
　　　　cp /lib64/libc.so.6 /mnt/sysroot/lib64/
　　　　cp /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /mnt/sysroot/lib64/
　　　　sync  将内存数据同步到硬盘
　　7、用新的硬盘去创建一个虚拟机，检验是否能正常启动

 

 

区分grub 与grub2：

在 Linux 系统中，grub.cfg 文件包含了启动加载器 GRUB 的配置指令，用于指定内核和初始化（init）进程的加载方式。下面是关于 kernel 和 initrd 命令的说明：

1. kernel 命令

在早期的 GRUB 版本中，kernel 命令用于指定要启动的 Linux 内核的位置，并设置启动参数。但在 GRUB 2 中，linux 命令代替了 kernel 命令。

示例：

bash

复制代码

linux /boot/vmlinuz-5.4.0-42-generic root=/dev/sda1 ro quiet splash

解释：

• /boot/vmlinuz-5.4.0-42-generic：指定内核文件的位置。
• root=/dev/sda1：指定根文件系统所在的设备。
• ro：以只读模式挂载根文件系统。
• quiet 和 splash：这些是可选参数，分别用于隐藏启动信息和显示启动画面。

2. initrd 命令

initrd 命令用于加载初始内存盘映像（initial RAM disk），它包含了系统启动时所需的驱动程序和文件系统信息。这在启动阶段非常重要，尤其是当系统需要加载特定的驱动程序来访问根文件系统时。

示例：

bash

复制代码

initrd /boot/initrd.img-5.4.0-42-generic

解释：

• /boot/initrd.img-5.4.0-42-generic：指定初始化 RAM 磁盘文件的位置，通常与内核版本对应。

完整的 grub.cfg 配置示例

一个典型的 grub.cfg 配置块可能包含以下内容：

bash

复制代码

menuentry 'Ubuntu, with Linux 5.4.0-42-generic' { set root=(hd0,1) linux /boot/vmlinuz-5.4.0-42-generic root=/dev/sda1 ro quiet splash initrd /boot/initrd.img-5.4.0-42-generic }

总结

• linux 命令（以前的 kernel）用于指定要加载的 Linux 内核以及启动参数。
• initrd 命令用于加载初始内存盘映像，为内核提供启动时所需的驱动程序和资源