Linux内核启动链路分析与系统初始化调试 - 第4节

4.1 GRUB2 配置文件结构

GRUB2（GRand Unified Bootloader version 2）是当前 Linux 发行版默认的引导管理器。其核心配置文件为 /boot/grub/grub.cfg，该文件由 grub-mkconfig 工具根据 /etc/default/grub 和 /etc/grub.d/ 目录下的脚本自动生成。

4.1.1 配置文件层级与生成流程

GRUB2 采用“模板 + 脚本”的生成式配置架构，用户不应直接编辑 grub.cfg，而应修改 /etc/default/grub 或 /etc/grub.d/ 下的脚本。

组件	路径	作用
主配置文件	/boot/grub/grub.cfg	GRUB2 实际读取的引导菜单与参数
用户配置	/etc/default/grub	定义超时、默认菜单项、内核参数等全局变量
脚本目录	/etc/grub.d/	包含 00_header、10_linux、30_os-prober 等生成模块
生成命令	grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg	合并配置与脚本，输出最终配置文件

4.1.2 grub.cfg 核心语法

grub.cfg 使用 GRUB2 脚本语言，支持函数、变量、条件判断和菜单项定义。以下是一个典型的内核启动菜单项：

menuentry 'Ubuntu, with Linux 5.15.0-91-generic' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-5.15.0-91-generic-advanced-xxxxxxxx' {
    recordfail
    load_video
    gfxmode $linux_gfx_mode
    insmod gzio
    if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi
    insmod part_gpt
    insmod ext2
    set root='hd0,gpt2'
    if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
      search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,gpt2 --hint-efi=hd0,gpt2 --hint-baremetal=ahci0,gpt2  xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx
    else
      search --no-floppy --fs-uuid --set=root xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx
    fi
    linux   /boot/vmlinuz-5.15.0-91-generic root=UUID=yyyyyyyy-yyyy-yyyy-yyyy-yyyyyyyyyyyy ro  quiet splash
    initrd  /boot/initrd.img-5.15.0-91-generic
}

4.1.3 配置文件结构 SVG 图

4.2 菜单选择机制

GRUB2 在启动时读取 grub.cfg 并解析所有 menuentry 块，生成可交互的引导菜单。用户可通过键盘选择启动项，或等待超时自动启动默认项。

4.2.1 菜单选择流程

1. 加载配置文件：GRUB2 从 /boot/grub/grub.cfg 读取菜单项和全局设置。
2. 解析默认项：读取 set default="0" 或 set default="saved" 确定默认启动项。
3. 设置超时：读取 set timeout=5，若超时内无按键则自动启动默认项。
4. 显示菜单：在屏幕上列出所有 menuentry 标题，等待用户选择。
5. 执行指令：用户选择或超时后，执行对应 menuentry 块内的指令序列。

4.2.2 关键变量与参数

变量	示例值	说明
default	0、saved、"Ubuntu"	默认启动项索引、名称或 saved（记住上次选择）
timeout	5、-1	自动启动等待秒数；-1 表示无限等待
gfxmode	auto、1024x768	图形模式分辨率
recordfail	—	记录上次启动失败，用于故障恢复菜单

4.2.3 菜单选择流程 SVG 图

4.3 内核与 initrd 加载过程

当用户选择某个菜单项后，GRUB2 执行该 menuentry 块内的指令序列，核心步骤包括：设置根设备、加载内核映像、加载 initrd 映像、传递控制权。

4.3.1 加载步骤详解

步骤	指令	说明
1. 设置根设备	set root='hd0,gpt2'	指定内核和 initrd 所在的分区
2. 加载内核	linux /boot/vmlinuz-xxx root=UUID=yyy ro quiet	将内核映像从磁盘读入内存，并附加命令行参数
3. 加载 initrd	initrd /boot/initrd.img-xxx	将初始 RAM 磁盘映像读入内存
4. 启动内核	boot（隐式执行）	GRUB2 将控制权交给内核，内核开始执行

4.3.2 内核命令行参数

linux 指令后的参数直接传递给内核，常见参数包括：

• root=UUID=...：指定根文件系统的 UUID。
• ro：以只读方式挂载根文件系统（后续由 init 重新挂载为读写）。
• quiet：减少内核启动时的日志输出。
• splash：显示启动画面（plymouth）。
• nomodeset：禁用内核模式设置，用于显卡驱动问题排查。
• single 或 1：进入单用户模式（维护模式）。

4.3.3 initrd 的作用

initrd（Initial RAM Disk）是一个临时的根文件系统，包含内核启动初期所需的驱动和工具。其核心使命是：

1. 加载存储控制器驱动（如 SCSI/NVMe/AHCI）。
2. 加载文件系统驱动（如 ext4、xfs、btrfs）。
3. 解密加密的根分区（LUKS）。
4. 挂载真正的根文件系统。
5. 执行 switch_root 将控制权移交给真正的 init 系统（systemd）。

4.3.4 内核与 initrd 加载流程 SVG 图

4.4 实战：手动编辑 GRUB2 菜单项

以下演示如何在 GRUB2 启动时临时修改内核参数，用于故障排查或单用户模式恢复。

4.4.1 操作步骤

1. 系统启动时，在 GRUB2 菜单界面按 e 键进入编辑模式。
2. 使用方向键定位到以 linux 开头的行。
3. 在行尾添加或修改参数，例如将 quiet splash 替换为 single。
4. 按 Ctrl+X 或 F10 使用修改后的参数启动。

# 原始 linux 行
linux   /boot/vmlinuz-5.15.0-91-generic root=UUID=xxxx ro quiet splash

# 修改后（进入单用户模式）
linux   /boot/vmlinuz-5.15.0-91-generic root=UUID=xxxx ro single

4.4.2 永久修改示例

# 编辑 /etc/default/grub
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash"
# 修改为
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash nomodeset"

# 更新 grub.cfg
sudo grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

4.5 本章小结

• GRUB2 配置文件采用生成式架构，grub.cfg 由 grub-mkconfig 根据 /etc/default/grub 和 /etc/grub.d/ 自动生成。
• 菜单选择流程包括读取配置、解析默认项、显示菜单、等待用户选择或超时自动启动。
• 内核加载过程分为设置根设备、加载内核映像、加载 initrd 映像、移交控制权四个阶段。
• initrd 是临时根文件系统，负责加载驱动并挂载真正的根文件系统。
• 在 GRUB2 菜单按 e 可临时编辑内核参数，用于调试和故障恢复。