grub2详解(翻译和整理官方手册)

只说明几个主要的：

1.配置文件的名称改变了。在grub中，配置文件为grub.conf或menu.lst(grub.conf的一个软链接)，在grub2中改名为grub.cfg。

2.grub2增添了许多语法，更接近于脚本语言了，例如支持变量、条件判断、循环。

3.grub2中，设备分区名称从1开始，而在grub中是从0开始的。

4.grub2使用img文件，不再使用grub中的stage1、stage1.5和stage2。

5.支持图形界面配置grub，但要安装grub-customizer包，epel源提供该包。

6.在已进入操作系统环境下，不再提供grub命令，也就是不能进入grub交互式界面，只有在开机时才能进入，算是一大缺憾。

7.在grub2中没有了好用的find命令，算是另一大缺憾。

1.1.2 命名习惯和文件路径表示方式

官方手册原文：GNU GRUB Manual 2.06: Naming convention

(fd0)           ：表示第一块软盘
(hd0,msdos2)    ：表示第一块硬盘的第二个mbr分区。grub2中分区从1开始编号，传统的grub是从0开始编号的
(hd0,msdos5)    ：表示第一块硬盘的第一个逻辑分区
(hd0,gpt1)      ：表示第一块硬盘的第一个gpt分区
/boot/vmlinuz   ：相对路径，基于根目录，表示根目录下的boot目录下的vmlinuz，
                ：如果设置了根目录变量root为(hd0,msdos1)，则表示(hd0,msdos1)/boot/vmlinuz
(hd0,msdos1)/boot/vmlinuz：绝对路径，表示第一硬盘第一分区的boot目录下的vmlinuz文件

1.1.3 grub2引导操作系统的方式

官方手册原文：GNU GRUB Manual 2.06: General boot methods

grub2支持两种方式引导操作系统：

• 直接引导：(direct-load)直接通过默认的grub2 boot loader来引导写在默认配置文件中的操作系统
• 链式引导：(chain-load)使用默认grub2 boot loader链式引导另一个boot loader，该boot loader将引导对应的操作系统

一般只使用第一种方式，只有想引导grub默认不支持的操作系统时才会使用第二种方式。

1.1.4 grub2程序和传统grub程序安装后的文件分布

在传统grub软件安装完后，在/usr/share/grub/RELEASE/目录下会生成一些stage文件。

[root@xuexi ~]# ls /usr/share/grub/x86_64-redhat/
e2fs_stage1_5      ffs_stage1_5       jfs_stage1_5       reiserfs_stage1_5  stage2             ufs2_stage1_5      xfs_stage1_5
fat_stage1_5       iso9660_stage1_5   minix_stage1_5     stage1             stage2_eltorito    vstafs_stage1_5

在grub2软件安装完后，会在/usr/lib/grub/i386-pc/目录下生成很多模块文件和img文件，还包括一些lst列表文件。

[root@server7 ~]# ls /usr/lib/grub/i386-pc/*.mod | wc -l
257

[root@server7 ~]# ls -lh /usr/lib/grub/i386-pc/*.lst   
-rw-r--r--. 1 root root 3.7K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/command.lst
-rw-r--r--. 1 root root  936 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/crypto.lst
-rw-r--r--. 1 root root  214 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/fs.lst
-rw-r--r--. 1 root root 5.1K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/moddep.lst
-rw-r--r--. 1 root root  111 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/partmap.lst
-rw-r--r--. 1 root root   17 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/parttool.lst
-rw-r--r--. 1 root root  202 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/terminal.lst
-rw-r--r--. 1 root root   33 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/video.lst

[root@server7 ~]# ls -lh /usr/lib/grub/i386-pc/*.img
-rw-r--r--. 1 root root  512 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/boot_hybrid.img
-rw-r--r--. 1 root root  512 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/boot.img
-rw-r--r--. 1 root root 2.0K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/cdboot.img
-rw-r--r--. 1 root root  512 Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/diskboot.img
-rw-r--r--. 1 root root  28K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/kernel.img
-rw-r--r--. 1 root root 1.0K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/lnxboot.img
-rw-r--r--. 1 root root 2.9K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/lzma_decompress.img
-rw-r--r--. 1 root root 1.0K Nov 24  2015 /usr/lib/grub/i386-pc/pxeboot.img

1.1.5 boot loader和grub的关系

当使用grub来管理启动菜单时，那么boot loader都是grub程序安装的。

传统的grub将stage1转换后的内容安装到MBR(VBR或EBR)中的boot loader部分，将stage1_5转换后的内容安装在紧跟在MBR后的扇区中，将stage2转换后的内容安装在/boot分区中。

grub2将boot.img转换后的内容安装到MBR(VBR或EBR)中的boot loader部分，将diskboot.img和kernel.img结合成为core.img，同时还会嵌入一些模块或加载模块的代码到core.img中，然后将core.img转换后的内容安装到磁盘的指定位置处。

它们之间更具体的关系见下文。

1.1.6 grub2的安装位置

官方手册原文：GNU GRUB Manual 2.06: BIOS installation

严格地说是core.img的安装位置，因为boot.img的位置是固定在MBR或VBR或EBR上的。

(1).MBR

MBR格式的分区表用于PC BIOS平台，这种格式允许四个主分区和额外的逻辑分区。使用这种格式的分区表，有两种方式安装GURB：

1. 嵌入到MBR和第一个分区中间的空间，这部分就是大众所称的"boot track","MBR gap"或"embedding area"，它们大致需要31kB的空间；
2. 将core.img安装到某个文件系统中，然后使用分区的第一个扇区(严格地说不是第一个扇区，而是第一个block)存储启动它的代码。

这两种方法有不同的问题。

使用嵌入的方式安装grub，就没有保留的空闲空间来保证安全性，例如有些专门的软件就是使用这段空间来实现许可限制的；另外分区的时候，虽然会在MBR和第一个分区中间留下空闲空间，但可能留下的空间会比这更小。

方法二安装grub到文件系统，但这样的grub是脆弱的。例如，文件系统的某些特性需要做尾部包装，甚至某些fsck检测，它们可能会移动这些block。

GRUB开发团队建议将GRUB嵌入到MBR和第一个分区之间，除非有特殊需求，但仍必须要保证第一个分区至少是从第31kB(第63个扇区)之后才开始创建的。

现在的磁盘设备，一般都会有分区边界对齐的性能优化提醒，所以第一个分区可能会自动从第1MB处开始创建。

(2).GPT

一些新的系统使用GUID分区表(GPT)格式，这种格式是EFI固件所指定的一部分。但如果操作系统支持的话，GPT也可以用于BIOS平台(即MBR风格结合GPT格式的磁盘)，使用这种格式，需要使用独立的BIOS boot分区来保存GRUB，GRUB被嵌入到此分区，不会有任何风险。

当在gpt磁盘上创建一个BIOS boot分区时，需要保证两件事：(1)它最小是31kB大小，但一般都会为此分区划分1MB的空间用于可扩展性；(2)必须要有合理的分区类型标识(flag type)。

例如使用gun parted工具时，可以设置为bios_grub标识：

如果使用gdisk分区工具时，则分类类型设置为"EF02"。

如果使用其他的分区工具，可能需要指定guid，则可以指定其guid为"21686148-6449-6e6f-744e656564454649"。

下图是某个bios/gpt格式的bios boot分区信息，从中可见，它大小为1M，没有文件系统，分区表示为bios_grub。

下图为gpt磁盘在图形界面下安装操作系统时创建的Bios boot分区。

1.1.7 进入grub命令行

在传统的grub上，可以直接在bash下敲入grub命令进入命令交互模式，但grub2只能在系统启动前进入grub交互命令行。

按下e见可以编辑所选菜单对应的grub菜单配置项，按下c键可以进入grub命令行交互模式。

1.2 安装grub2

官方手册原文：GNU GRUB Manual 2.06: Installing GRUB using grub-install

这里的安装指的不是安装grub程序，而是安装Boot loader，但一般都称之为安装grub，且后文都是这个意思。

1.2.1 grub安装命令

安装方式非常简单，只需调用grub2-install，然后给定安装到的设备名即可。

shell> grub2-install /dev/sda

这样的安装方式，默认会将img文件放入到/boot目录下，如果想自定义放置位置，则使用--boot-directory选项指定，可用于测试练习grub的时候使用，但在真实的grub环境下不建议做任何改动。

shell> grub2-install --boot-director=/mnt/boot /dev/fd0

如果是EFI固件平台，则必须挂载好efi系统分区，一般会挂在/boot/efi下，这是默认的，此时可直接使用grub2-install安装。

shell> grub2-install

如果不是挂载在/boot/efi下，则使用--efi-directory指定efi系统分区路径。

shell> grub2-install --efi-directory=/mnt/efi

grub2-install实际上是一个shell脚本，用于调用其他工具，真正的功能都是其他工具去完成的，所以如果非常熟悉grub内部命令和机制，完全可以不用grub2-install。

对应传统的grub安装命令为grub-install，用法和grub2-install一样。

1.2.2 各种img和stage文件的说明

官方手册原文：GNU GRUB Manual 2.06: Images

img文件是grub2生成的，stage文件是传统grub生成的。下面是各种文件的说明。

1.2.2.1 grub2中的img文件

grub2生成了好几个img文件，有些分布在/usr/lib/grub/i386-pc目录下，有些分布在/boot/grub2/i386-pc目录下，它们之间的关系，相信看了下文之后就会明白了。

下图描述了各个img文件之间的关系。其中core.img是动态生成的，路径为/boot/grub2/i386-pc/core.img，而其他的img则存在于/usr/lib/grub/i386-pc目录下。当然，在安装grub时，boot.img会被拷贝到/boot/grub2/i386-pc目录下。

(1)boot.img

在BIOS平台下，boot.img是grub启动的第一个img文件，它被写入到MBR中或分区的boot sector中，因为boot sector的大小是512字节，所以该img文件的大小也是512字节。

boot.img唯一的作用是读取属于core.img的第一个扇区并跳转到它身上，将控制权交给该扇区的img。由于体积大小的限制，boot.img无法理解文件系统的结构，因此grub2-install将会把core.img的位置硬编码到boot.img中，这样就一定能找到core.img的位置。

(2)core.img

core.img根据diskboot.img、kernel.img和一系列的模块被grub2-mkimage程序动态创建。core.img中嵌入了足够多的功能模块以保证grub能访问/boot/grub，并且可以加载相关的模块实现相关的功能，例如加载启动菜单、加载目标操作系统的信息等，由于grub2大量使用了动态功能模块，使得core.img体积变得足够小。

core.img中包含了多个img文件的内容，包括diskboot.img/kernel.img等。

core.img的安装位置随MBR磁盘和GPT磁盘而不同，这在上文中已经说明过了。

(3)diskboot.img

如果启动设备是硬盘，即从硬盘启动时，core.img中的第一个扇区的内容就是diskboot.img。diskboo.img的作用是读取core.img中剩余的部分到内存中，并将控制权交给kernel.img，由于此时还不识别文件系统，所以将core.img的全部位置以block列表的方式编码，使得diskboot.img能够找到剩余的内容。

该img文件因为占用一个扇区，所以体积为512字节。

(4)cdboot.img

如果启动设备是光驱(cd-rom)，即从光驱启动时，core.img中的第一个扇区的的内容就是cdboo.img。它的作用和diskboot.img是一样的。

(5)pexboot.img

如果是从网络的PXE环境启动，core.img中的第一个扇区的内容就是pxeboot.img。

(6)kernel.img

kernel.img文件包含了grub的基本运行时环境：设备框架、文件句柄、环境变量、救援模式下的命令行解析器等等。很少直接使用它，因为它们已经整个嵌入到了core.img中了。注意，kernel.img是grub的kernel，和操作系统的内核无关。

如果细心的话，会发现kernel.img本身就占用28KB空间，但嵌入到了core.img中后，core.img文件才只有26KB大小。这是因为core.img中的kernel.img是被压缩过的。

(7)lnxboot.img

该img文件放在core.img的最前部位，使得grub像是linux的内核一样，这样core.img就可以被LILO的"image="识别。当然，这是配合LILO来使用的，但现在谁还适用LILO呢？

(8)*.mod

各种功能模块，部分模块已经嵌入到core.img中，或者会被grub自动加载，但有时也需要使用insmod命令手动加载。

1.2.2.2 传统grub中的stage文件

grub2的设计方式和传统grub大不相同，因此和stage之间的对比关系其实没那么标准，但是将它们拿来比较也有助于理解img和stage文件的作用。

stage文件也分布在两个地方：/usr/share/grub/RELEASE目录下和/boot/grub目录下，/boot/grub目录下的stage文件是安装grub时从/usr/share/grub/RELEASE目录下拷贝过来的。

(1)stage1

stage1文件在功能上等价于boot.img文件。目的是跳转到stage1_5或stage2的第一个扇区上。

(2)*_stage1_5

*stage1_5文件包含了各种识别文件系统的代码，使得grub可以从文件系统中读取体积更大功能更复杂的stage2文件。从这一方面考虑，它类似于core.img中加载对应文件系统模块的代码部分，但是core.img的功能远比stage1_5多。

stage1_5一般安装在MBR后、第一个分区前的那段空闲空间中，也就是MBR gap空间，它的作用是跳转到stage2的第一个扇区。

其实传统的grub在某些环境下是可以不用stage1_5文件就能正常运行的，但是grub2则不能缺少core.img。

(3)stage2

stage2的作用是加载各种环境和加载内核，在grub2中没有完全与之相对应的img文件，但是core.img中包含了stage2的所有功能。

当跳转到stage2的第一个扇区后，该扇区的代码负责加载stage2剩余的内容。

注意，stage2是存放在磁盘上的，并没有像core.img一样嵌入到磁盘上。

(4)stage2_eltorito

功能上等价于grub2中的core.img中的cdboot.img部分。一般在制作救援模式的grub时才会使用到cd-rom相关文件。

(5)pxegrub

功能上等价于grub2中的core.img中的pxeboot.img部分。