4. 内核解压与重定位

当引导加载程序（如GRUB）将内核映像加载到内存后，CPU 首先执行的是位于内核映像前端的解压桩（Decompression Stub）代码。这一阶段的核心任务是将压缩存储的内核主体（vmlinux）解压到正确的位置，并完成地址重定位，最终跳转到内核的真正入口点。理解 vmlinuz 与 initramfs 的布局，以及 decompress_kernel 和 startup_32/64 的执行流，是排查早期启动崩溃的关键。

4.1 vmlinuz 与 initramfs 的复合结构

通常位于 /boot 目录下的 vmlinuz-* 文件并非一个单一的内核映像，而是一个自解压的复合体。它由以下三部分顺序拼接而成：

下图展示了 vmlinuz 在磁盘上的静态布局与加载到内存后的动态布局关系：

4.2 解压过程：decompress_kernel

解压桩的核心逻辑位于 arch/x86/boot/compressed/misc.c 中的 decompress_kernel() 函数。该函数执行以下关键步骤：

1. 初始化控制台与视频模式：如果启用了早期串口或 VGA 输出，会在此处初始化，以便输出解压进度信息（例如“Decompressing Linux...”）。
2. 选择解压算法：根据内核编译时选择的算法（gzip/xz/lz4/lzo），调用对应的解压函数。现代内核通常使用 __decompress() 统一接口。
3. 执行解压：将压缩数据从源地址（input_data）解压到目标地址（output）。目标地址通常是 LOAD_PHYSICAL_ADDR（对于 x86_64 通常是 0x1000000，即 16MB）。
4. 返回解压后大小：函数返回解压后的内核大小，供后续重定位使用。

// arch/x86/boot/compressed/misc.c
asmlinkage __visible void *decompress_kernel(void *rmode, memptr heap,
                                              unsigned char *input_data,
                                              unsigned long input_len,
                                              unsigned char *output,
                                              unsigned long *output_len)
{
    // 1. 初始化早期串口/视频输出
    console_init();
    // 2. 显示解压进度
    debug_putstr("Decompressing Linux... \n");
    // 3. 执行解压
    *output_len = __decompress(input_data, input_len, NULL, NULL,
                               output, 0, NULL, error_putstr);
    // 4. 返回解压后的内核地址
    return output;
}

4.3 重定位与入口点：startup_32 / startup_64

解压完成后，内核需要将自己“搬运”到最终运行的物理地址，并设置好页表（如果启用了分页）。这一过程由汇编入口点 startup_32（32 位）或 startup_64（64 位）完成。

4.3.1 startup_32（32 位内核）

• 执行环境：CPU 处于 32 位保护模式，分页可能未开启。
• 主要任务：
  1. 设置段寄存器（DS/ES/FS/GS/SS）为已知状态。
  2. 建立临时页表（如果内核配置了 CONFIG_X86_PAE 或 CONFIG_X86_64）。
  3. 调用 decompress_kernel()。
  4. 如果解压后的目标地址与当前运行地址不同，执行重定位：使用 memcpy 或 rep movsb 将解压后的内核复制到 LOAD_PHYSICAL_ADDR。
  5. 跳转到解压后内核的入口点（startup_32 的第二个副本，位于解压后的 vmlinux 开头）。

4.3.2 startup_64（64 位内核）

• 执行环境：CPU 处于 64 位长模式，但页表可能只覆盖了低 1MB 或 4MB 区域。
• 主要任务：
  1. 建立覆盖整个物理内存的恒等映射页表（Identity Map），确保解压后的内核在任意物理地址都能被寻址。
  2. 调用 decompress_kernel()。
  3. 执行内核重定位：如果内核被配置为可重定位（CONFIG_RELOCATABLE），解压桩会根据引导加载程序传递的 load_addr 计算新的运行地址，并调整内核中的符号表。
  4. 跳转到 startup_64 的最终入口（位于解压后的 vmlinux 中）。

下图展示了从引导加载程序跳转到 startup_32/64 开始，到最终进入解压后内核的完整流程：

4.4 重定位细节：CONFIG_RELOCATABLE 与 KASLR

现代内核默认启用 CONFIG_RELOCATABLE，这意味着内核可以在任何物理地址运行，而不必固定在 0x1000000。这为 KASLR（内核地址空间布局随机化） 提供了基础。

/* 计算重定位偏移量 */
    leaq    rva(_bss)(%rbp), %rbx   /* 解压后内核的 _bss 地址 */
    subq    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %rbx /* 计算偏移量 */
    /* 如果偏移量为 0，则跳过重定位 */
    testq   %rbx, %rbx
    jz      relocated
    /* 否则，遍历重定位表，调整每个条目 */
    leaq    rva(rela_start)(%rbp), %rsi
    leaq    rva(rela_end)(%rbp), %rdi
    /* ... 循环处理每个 Elf64_Rela 条目 ... */

4.5 常见问题排查清单

• 问题： 引导加载程序加载后，屏幕无任何输出，直接重启或死机。
  • 排查： 检查 vmlinuz 文件是否完整（sha256sum 对比）。检查 GRUB 配置中的 linux 命令指定的文件路径和分区是否正确。
• 问题： 输出“Decompressing Linux... done”后立即崩溃。
  • 排查： 解压后的内核大小超过了可用内存？尝试添加 mem= 参数限制内存范围。检查 LOAD_PHYSICAL_ADDR 是否与硬件保留区域（如 IOMMU、ACPI NVS）冲突。
• 问题： 输出“Booting the kernel.”后无响应。
  • 排查： 重定位后的入口点地址错误。使用 gdb 连接 QEMU 的 -s 端口，在 startup_64 处设置断点，检查 %rip 是否指向解压后的内核头部。
• 问题： 启用了 KASLR 的系统在早期启动时随机崩溃。
  • 排查： 在 GRUB 中添加 nokaslr 排除随机化因素。如果问题消失，可能是 KASLR 选择的地址与硬件资源冲突，需要检查 e820 内存映射。