馮冬艷

(山西職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030006)

0 引言

Linux操作系統(tǒng)誕生于1991年10月，是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)。其具有免費、開源、安全、穩(wěn)定、高效等優(yōu)點，因此在商用領(lǐng)域使用非常普遍。目前Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核由林納斯·托瓦茲及其團隊維護，眾多的應(yīng)用程序則由GNU組織來維護。為了方便用戶使用，很多第三方的個人、組織或商業(yè)機構(gòu)對Linux內(nèi)核、應(yīng)用程序等編譯后制作成Linux不同的發(fā)行版。當前社會上存在著眾多的Linux發(fā)行版，主流的有RedHat、CentOS、Suse、Debian、Ubuntu、Arch Linux等，本文將以CentOS 6為例。大多數(shù)發(fā)行版的Linux系統(tǒng)在啟動時都需要用到GRUB，GRUB是一個在Linux操作系統(tǒng)上使用比較廣泛的系統(tǒng)引導程序。其主要有支持大硬盤、支持開機畫面、支持傳遞參數(shù)、提供交互式接口、提供菜單保護機制等特點。本文重點分析了Linux操作系統(tǒng)的啟動流程，并對GRUB可能出現(xiàn)故障的情況進行了分析、總結(jié)、歸納，并對每一種故障情況進行了還原，最后進行了修復。

1 Linux的啟動流程

1) 加電自檢(POST，Power On Self Test)。計算機在按下開機鍵后，首先進行的是加電自檢，它是BIOS的一個基本功能，主要完成對CPU、主板、內(nèi)存、串并口、顯示器、磁盤、鍵盤等硬件設(shè)備的檢測。一般此過程檢測到的故障都是致命的，會導致系統(tǒng)啟動掛起，因此會通過不同的蜂鳴聲對用戶發(fā)出警報。此過程檢測無故障則進入下一步。

2) 加載引導程序。加電自檢成功完成后，BIOS將根據(jù)用戶所指定的引導次序(Boot Sequence)，按照順序依次在相應(yīng)的存儲介質(zhì)上尋找主引導記錄(MBR，Master Boot Record)。在找到的第一個具有可用主引導記錄的存儲介質(zhì)上讀取出引導加載器(Boot Loader)、磁盤分區(qū)表(DPT，Disk Partition Table)、分區(qū)有效性標志(55AA)，共512個字節(jié)。此過程順利完成后，Linux內(nèi)核被加載至內(nèi)存。

3) 系統(tǒng)的初始化。Linux內(nèi)核文件都是以壓縮格式存放的，在上一步驟成功完成后，Linux內(nèi)核被加載至內(nèi)存中，內(nèi)核文件首先完成自解壓，并在ramdisk文件的幫助下，內(nèi)核擁有了訪問磁盤及文件系統(tǒng)等基本設(shè)備的驅(qū)動程序。隨后內(nèi)核在完成探測可識別的硬件設(shè)備并加載相應(yīng)驅(qū)動，以只讀方式加載根文件系統(tǒng)等操作后，內(nèi)核就可以啟動位于磁盤上的第一個應(yīng)用程序init，進而完成系統(tǒng)的初始化。

2 常見的Boot Loader

在Linux啟動流程的第二步中需要進行加載引導程序，MBR的前446個字節(jié)是用于存放Boot Loader的。Linux上常見的引導加載器有LILO、Syslinux、GRUB等。

1) LILO(LInux LOader)。LILO是一個輕量、穩(wěn)定的Linux引導加載器，由于其比較古老、不提供交互式命令行界面、不支持將系統(tǒng)安裝在1024柱面以后的存儲空間等原因，2015年12月開始LILO的開發(fā)已經(jīng)停止。但目前Android系統(tǒng)廣泛使用，LILO由于其小巧、穩(wěn)定，依然具有此類設(shè)備上較高的使用率。

2) Syslinux。Syslinux是一種能從光盤驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)等進行引導的輕型引導加載器。Syslinux 支持諸如微軟的 FAT， Linux 上的 ext2、ext3、ext4 等文件系統(tǒng)。Syslinux 也支持未壓縮的單一設(shè)備上的 Btrfs。但由于 Syslinux 僅能訪問自己分區(qū)上的文件，因此不具備多重文件系統(tǒng)引導能力。

3) GRUB(GRand Unified Bootloader)。GRUB是眾多Linux發(fā)行版普遍使用的多操作系統(tǒng)引導加載器，并且可以向內(nèi)核傳遞啟動參數(shù)，從而實現(xiàn)不同的啟動效果。GRUB可以分為GRUB Legacy和GRUB 2，本文以GRUB Legacy為例。GRUB Legacy與LILO最大的區(qū)別就是其突破了Boot Loader只有446字節(jié)的限制，其可以將Boot Loader存放于文件系統(tǒng)的某一路徑下。具體過程如下：GRUB Legacy將引導過程分為了兩個階段。第一個階段為stage1，位于MBR中，其主要功能就是找到位于磁盤上的stage2。第二個階段為stage2，其位于文件系統(tǒng)/boot/grub下。但在stage1結(jié)束后，此時的內(nèi)核無法識別文件系統(tǒng)，嚴格的來說，應(yīng)該還包含其中一個過度階段，稱之為stage1_5。在此階段，內(nèi)核將裝載對應(yīng)文件系統(tǒng)的驅(qū)動程序，使得在stage2，內(nèi)核可以找到位于文件系統(tǒng)上/boot/grub/stage2文件，進而完成引導加載過程。

3 常見故障及修復方法

3.1 MBR被損壞，未重啟

1) 故障描述。MBR的前446個字節(jié)以內(nèi)的數(shù)據(jù)被損壞，未重啟時不會有明顯的故障現(xiàn)象，但萬一重啟計算機將無法啟動系統(tǒng)。

2) 故障分析。MBR位于整個磁盤的0磁道0柱面1扇區(qū)。MBR由446個字節(jié)的Boot Loader， 64個字節(jié)為磁盤分區(qū)表，2個字節(jié)的分區(qū)有效性標志組成，共512個字節(jié)。由于分區(qū)表被損壞需要用其他工具查找恢復，本文暫不討論磁盤分區(qū)表被損壞的情況。此類故障本質(zhì)上來說是GRUB的stage1損壞。雖然GRUB已經(jīng)被損壞，但是由于操作系統(tǒng)未重啟，暫時用不到GRUB，因此此時修復GRUB只需要重新安裝MBR內(nèi)的Boot Loader即GRUB的stage1即可。

3) 故障還原。使用dd if=/dev/zero of=/dev/sda1 bs=446 count=1命令模擬MBR的前446個以內(nèi)字節(jié)被損壞。

4) 故障修復。此時的修復只需重新安裝GRUB即可，有兩種常用的修復方法，其中第一種方法為：使用grub-install --root-directory=/ /dev/sda命令重新安裝GRUB的stage1。需要注意的是此處—root-directory應(yīng)指向boot目錄的父目錄，而/dev/sda為MBR所存放的設(shè)備。第二種方法為：鍵入grub命令，出現(xiàn)grub命令提示符；使用root (hd0,0)命令指定根所在位置；使用setup (hd0)命令安裝MBR。需要注意的是(hd0，0)為固定格式指明根所在位置為第一塊磁盤的第一個分區(qū)，讀者需要注意，這個設(shè)置可能會因人而異。setup (hd0)指明要在那一塊磁盤上安裝MBR。最后使用reboot命令重啟系統(tǒng)，故障修復。

3.2 MBR被損壞，已重啟

1) 故障描述。接上題故障，MBR前446個字節(jié)以內(nèi)的數(shù)據(jù)被損壞，但已重啟，此時將無法進行任何引導，系統(tǒng)啟動將掛起。

2) 故障分析。MBR中的前446個字節(jié)被損壞，即Boot Loader被損壞，其本質(zhì)就是GRUB中的stage1被損壞，因此無法引導加載系統(tǒng)。此時需要使用系統(tǒng)的安裝光盤，在開始界面中選擇緊急救援模式，再進行一系列處理，恢復被損壞的MBR中的Boot Loader即可。

3) 故障還原。先使用dd if=/dev/zero of=/dev/sda1 bs=446 count=1命令模擬MBR的前446個以內(nèi)字節(jié)被損壞。然后使用reboot命令重啟系統(tǒng)。

4) 故障修復。此時裝入系統(tǒng)安裝光盤；重啟；在彈出的界面中選擇緊急救援模式(Rescue installed system)；在語言選擇菜單中選擇英文(English)；在鍵盤類型菜單中選擇美國(US)；在啟動網(wǎng)絡(luò)菜單上選擇不啟動(No)；在救援菜單上選擇繼續(xù)(Continue)；在shell菜單上選擇啟動shell(Start shell)；使用chroot /mnt/sysimage/命令切換根至系統(tǒng)提示的根文件系統(tǒng)掛載位置；使用grub-install --root-directory=/ /dev/sda命令重新安裝GRUB的stage1；使用exit命令退出當前所在的根；最后使用reboot命令重啟系統(tǒng)，故障修復。

3.3 GRUB配置文件損壞

1) 故障描述。GRUB的配置文件的格式損壞、內(nèi)容缺失或文件丟失，系統(tǒng)啟動時，將只會顯示“grub>”的提示符, 無法完成進一步的系統(tǒng)啟動過程。

2) 故障分析。GRUB的配置文件位于/boot/grub/grub.conf，而/etc/grub.conf是此文件的軟鏈接。此文件中的內(nèi)容有著固定的格式，常用的配置項有default、timeout、hiddenmenu、splashimage、title、password等，其中title可以多個，在每個title項下有二級項root、kernel、initrd、password等。其中default指明默認啟動哪個title所代表的系統(tǒng)或內(nèi)核；timeout指明用戶選擇的超時時間；title為某一個系統(tǒng)或內(nèi)核用于顯示和選擇的標識；root指明此內(nèi)核所在的磁盤及分區(qū)位置；kernel指明此系統(tǒng)或內(nèi)核的內(nèi)核文件位置，可以傳遞參數(shù)；initrd指明此系統(tǒng)或內(nèi)核啟動時所需要使用的ramdisk文件。

3) 故障還原。使用rm-rf /boot/grub/grub.conf命令將grub的配置文件刪除；使用reboot命令重啟電腦。

4) 故障修復。電腦啟動后出現(xiàn)grub命令提示符，在grub提示符下輸入root (hd0,0)后回車；在grub提示符下輸入kernel /vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64后回車；在grub提示符下輸入initrd /initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img后回車；在grub提示符下輸入reboot命令，重啟系統(tǒng)，故障修復。需要注意的是root用于指明根所在位置為第一塊磁盤的第一個分區(qū)，kernel用于指明內(nèi)核文件所在位置，initrd用于指明ramdisk文件所在位置。kernel有時需要附加一些內(nèi)核參數(shù)，本處不予詳述，有興趣的讀者可參考相關(guān)文章。此外，在使用root (hd0，0)后在指定kernel和initrd時可以靈活地使用路徑補全的Tab鍵。最后使用reboot命令重啟系統(tǒng)，故障修復。

4 結(jié)語

本文詳細介紹了Linux操作系統(tǒng)的啟動流程，并對GRUB啟動過程中的兩個階段的作用及GRUB配置文件格式進行了介紹。最后總結(jié)歸納了Linux系統(tǒng)啟動過程中與GRUB損壞有關(guān)的各類故障，并進行了故障還原和修復。讀者可以根據(jù)遇到的啟動故障特征分析采用對應(yīng)的故障修復方法，以實現(xiàn)快速排除故障，減少因為故障而引起的損失。