什么是 GRUB：GNU 启动管理器完整指南

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如果你在电脑上安装了 GNU/Linux 系统，或者使用多个操作系统，那么你很可能听说过 GRUB。它是一个小巧但功能强大的程序，会在系统启动前显示，允许你选择要加载的组件。虽然它常常被人忽略，但它对于启动操作系统以及将控制权顺利移交给内核至关重要。

在PC启动领域，GRUB凭借其强大的功能和灵活性已成为事实上的标准。它诞生于GNU项目，如今已成为GNU/Linux系统中应用最广泛的启动管理器，兼容多种架构和文件系统，对新手友好易用，同时也是那些追求启动过程细节精细化的用户的瑞士军刀。

GNU GRUB 是什么以及它有什么用途？

GNU GRUB（GNU GRand Unified Bootloader，GNU GRand Unified Bootloader，GNU GRUB）是一个多启动管理器：当计算机开机时，固件（BIOS 或 UEFI）会运行该软件来选择和加载操作系统。它允许用户选择菜单项、向内核传递参数、从网络启动，甚至可以与控制台交互以排查特定问题。

它主要用于 GNU/Linux 发行版，但也曾被其他系统使用，例如 x86 架构的 Solaris。在现代UEFI系统中，固件会直接加载位于 EFI 系统分区 (ESP) 中的 GRUB 可执行文件（前提是该文件已在 NVRAM 中注册）；在 BIOS/MBR 系统中，GRUB 会占用磁盘的初始扇区并从那里继续加载。

除了典型的菜单之外，GRUB 还符合多重启动规范，这意味着它可以无缝启动兼容的内核。一旦内核加载到内存中，GRUB 就会交出控制权，它的任务就完成了，这绝非易事。

技术表和项目数据

GRUB 是 GNU 生态系统的一部分，并以 GNU GPL v3 或更高版本许可证发布，属于自由软件。它的开发是开源的，拥有官方代码库、错误跟踪系统和网站，以及一个非常活跃的社区。

它主要用 C 语言和汇编语言编写，可在多个平台上运行： IA-32、x86-64 和 PowerPC等等。当前分支是 GRUB 2（历史悠久的“GRUB Legacy”的重新实现）。最新发布的稳定版本是 2.12 （2023 年 12 月 20 日）。如果您想检查本地版本，可以运行： grub-install --version 你就会看到相应的链。

一些历史和演变

GRUB 最初是Erich Stefan Boleyn在 GNU Hurd 和 Mach 微内核框架下提出的一个项目。为了解决启动方式的差异，创建了多重启动规范 (Multiboot Specification)，该规范旨在使引导加载程序和内核“使用同一种语言”。1999 年， Gordon Matzigkeit 和 Yoshinori Okuji牵头将其纳入 GNU 项目的官方软件包。

大约在2002年，一群日本研究人员启动了PUPA（Preliminary Universal Programming Architecture，初步通用编程架构）项目，旨在重写GRUB，使其更加健壮和模块化。这项工作最终催生了GRUB 2，而之前的版本则被称为“GRUB Legacy”（其0.97版本最后一次更新是在2005年）。从2007年开始，一些发行版迁移到了GRUB 2，到2009年底，绝大多数发行版都默认包含了GRUB 2 。

如何使用 GRUB（BIOS 和 UEFI）启动计算机

当你打开电脑时，固件会运行检查（RAM、时钟、设备、启动顺序）并查找引导加载程序。在具有 BIOS/MBR 的系统上，控制权会转移到 主引导记录 (MBR)，磁盘的初始 512 字节GRUB 分为几个阶段：阶段 1（MBR 中的最小代码）、阶段 1.5（位于后续扇区，用于理解文件系统）和阶段 2（菜单和高级功能）。在 GRUB 2 中，“1.5”不再存在；现在有具体的映像，例如 boot.img, core.img 以及根据安装组合的模块（*.mod）。

在 UEFI 中，这个过程更为直接：固件会从 EFI 分区执行 GRUB EFI 二进制文件（前提是 GRUB EFI 已正确安装和注册）。无论哪种情况，GRUB 都会显示一个菜单或控制台，加载选定的内核，然后将执行权限移交给该内核。

多重引导规范和兼容性

GRUB 实现了多重启动，允许无需特殊“技巧”即可启动兼容的内核。此外，对于不支持多重启动的系统（例如Windows 或 DOS），它提供了链式加载，目标指向其引导加载程序所在的分区的第一个扇区。

它的文件系统兼容性非常广泛：包括Btrfs、ext2/3/4、FAT12/16/32、exFAT、HFS/HFS+、ISO9660、Nilfs2、NTFS、ReiserFS、ZFS、ROMFS、JFS 和 XFS等。它还可以读取 LVM 卷和 RAID 阵列中的数据，这在存储结构复杂时是一个显著的优势。

特色和功能

• 菜单界面 可配置且高度灵活的交互式终端，具有 Tab 自动完成功能和 Bash 风格的快捷方式。
• 支持 LBA（逻辑块寻址） 克服经典 BIOS 限制并读取超过 1024 个柱面。
• 能力 网络启动 （PXE/TFTP）和远程终端，在集中管理场景中很有用。
• 自动解压缩和识别多种可执行格式。
• 持久存储变量 保存环境/加载环境 y grub-editenv （当平台允许时）。
• 所有 RAM 检测、磁盘几何独立性以及 通过标签和 UUID 进行搜索的机制.
• 菜单和背景的图形支持，以及维护的模块化设计 核心映像 很小，并根据需要加载模块。

关键术语：设备、分区和路径

GRUB 以自己的方式命名磁盘和分区。第一个磁盘通常是 （hd0），第一个分区 （hd0,1） 在 GRUB 2 中（记住：在 GRUB 2 中，编号从 1 开始；在 Legacy 中，编号从 0 开始）。要指代整个磁盘，请省略分区： (hd0).

为了指示文件，设备与路径相结合： (hd0,1)/ruta/al/archivo。它还支持 屏蔽名单 （阻止列表）当需要指示文件系统中不可见的文件在磁盘上的确切位置时，例如 (hd0,1)+1 对于分区的第一个扇区，有用 chainloader +1.

GRUB 中的“根文件系统”与 Linux 中的“/”并不相同。它只是GRUB 读取文件的根分区；一旦 Linux 内核获得控制权，它会定义自己的实际根目录，GRUB 中的其他一切都将变得无关紧要。

GRUB 接口

GRUB 提供三种主要视图。最熟悉的是菜单，其中包含预配置的条目；您可以使用箭头键导航，按 Enter 键启动，按“e”键编辑条目，或按“c”键打开控制台。

输入编辑器允许您即时修改行（使用“o/O”添加，使用“e”编辑，使用“d”删除），如果一切正常，则使用“b”启动。它非常适合在不修改文件的情况下测试内核参数。

控制台模式功能最强大：它支持上下文自动补全、编辑快捷键，以及GRUB所有用于定位磁盘、加载内核/initrd 或链式加载的内部命令。如果配置文件丢失或损坏，GRUB 会将您引导至此模式，以便您手动解决问题。

常见错误消息

错误可能出现在初始阶段（较为有限）或加载菜单和模块时（描述更为详细）。以下是 GRUB 可能显示的一些典型错误代码，为了清晰起见，已进行改写：

• 1：无效或非绝对路径；2：无效文件类型（不是常规文件）；3–4：解压缩过程中数据/标头损坏；5： 分区表损坏 或无效。
• 6：Stage1/Stage2 不兼容；7：不支持加载 1 MB 以下的内容；8：尝试在未加载内核的情况下启动；9：未知的启动失败。
• 10：不支持多重引导功能；11：无法识别设备；12：无效设备；13：不支持的可执行格式。
• 14：文件系统阻止读取整个文件；15： 文件未找到；16：文件系统结构不一致。
• 17：无法挂载所选分区；18：柱面超出 BIOS 支持的范围（旧驱动器上常见）；19：Initrd 先于内核。
• 20：多重引导内核之前的模块；21：选定的磁盘不存在；22：不存在的分区；23：解释数字时出错。
• 24：访问分区外的块；25：磁盘读取错误；26：符号链接过多；27：未知命令。
• 28：项目不适合内存；29：磁盘写入错误；30：无效参数；31：文件未按扇区对齐（ReiserFS，使用 无尾).
• 32：需要身份验证；33：未配置串行设备；34：MBR 后没有用于阶段 1.5 的空闲扇区（与 EZ-BIOS 冲突或分区启动过早）。

基本 GRUB 命令

在控制台中，你可以运行非常有用的交互式命令。例如： boot 启动最后加载的程序（内核或链式加载程序），并且 chainloader <archivo> 从链中加载扇区或文件；Windows 的典型快捷方式是 chainloader +1.

displaymem 根据 BIOS 显示内存使用情况，如果您不确定检测到的 RAM 数量，此功能会非常方便。使用 initrd <archivo> 您指定内核所需的初始 RAM 磁盘映像。

要从 GRUB Legacy 控制台安装到 MBR，您使用了 install 前往 stage1, stage2 以及可选的配置文件。目前在 GRUB 2 中，从系统中使用 grub-install 并使用 update-grub/grub2-mkconfig.

命令 kernel 指定内核二进制文件及其参数，例如： kernel /vmlinuz root=/dev/sda5通常先于 root (hdX,Y) o rootnoverify 设置 GRUB 将从中读取的分区。

配置文件和指令

在 GRUB Legacy 中，菜单位于 /boot/grub/menu.lst o grub.conf，指令如下 color, default, fallback, hiddenmenu, password, timeout, splashimage 和块 title 每个系统的订单。

一个典型的例子（解释如下）包括 Linux 部分 root (hd0,2), kernel 其 根参数=/…，而 boot；另一个适用于 Windows rootnoverify (hd0,1) y chainloader +1.

在 GRUB 2 中，自动生成的文件是 /boot/grub/grub.cfg。不建议手动编辑；而是调整 /etc/default/grub （例如 GRUB_TIMEOUT, GRUB_DEFAULT等）并添加自定义条目 /etc/grub.d/40_custom.然后执行 update-grub o grub2-mkconfig 重新生成菜单。

GRUB Legacy 和 GRUB 2 之间的主要区别

• 配置文件来自 menu.lst/grub.conf a grub.cfg，使用更新的语法和命令并通过自动生成 grub-mkconfig.
• 分区编号 始于1 在 GRUB 2 中（在 Legacy 中它从 0 开始）。
• 变量的持久性 save_env/load_env 在某些配置中。
• 更好的路线检测和 通过 UUID/标签搜索；支持更多文件系统。
• 直接读取 LVM 和 RAID.
• 终端和菜单图形以及重新组织的图像：Stage 1.5 已经消失； boot.img, core.img 和动态模块（*.mod）。

使用 GRUB 实现安全性和强化

安全性差的引导管理器就像一个筛子。如果有人拥有物理访问权限，就能编辑内核参数或启动不同的启动项，那么你的安全措施就形同虚设。因此，建议使用密码保护 GRUB，并实施最佳实践。

建立一个 强密码 限制条目修改或控制台访问。在 GRUB 2 中，使用用户名和密码 grub-mkpasswd-pbkdf2 并在脚本中配置相应的规则 /etc/grub.d/.

它还包含使用 LUKS 的磁盘加密，即使有人窃取了计算机，也无法读取数据。此外，它还确保系统密码策略严格，以减少暴力破解攻击。

明智地管理您的日志历史记录：那些会给攻击者提供线索的日志应该尽量减少或集中管理，并辅以访问控制；那些有助于审计恶意尝试的日志应该汇总并在安全的位置进行分析。

要检测其他已安装的系统并自动生成条目，请安装 os-prober它将节省您的时间并防止重新创建菜单时出现错误。

安装与维护

如果你在安装发行版时没有安装 GRUB，可以稍后再安装。在 GRUB 2 系统中，运行 sudo grub-install /dev/sdX （用你的磁盘替换）然后 sudo update-grub o sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg您将在下次启动时看到菜单。

从 GRUB Legacy 控制台，经典过程是指示根并运行安装： root (hd1,0) 接下来 setup (hd1,0) 对于第二个磁盘的第一个分区，或者 setup (hd1) 如果您指向第二个磁盘的 MBR。

直接编辑 /boot/grub/grub.cfg 即使从技术上讲这是可行的，但这在 GRUB 2 中并不是一个好主意。 推荐路线 就是要改变 /etc/default/grub， 用 /etc/grub.d/40_custom 为了自己的内容和再生。

实际问题和有用的捷径

如何知道 /dev/sda 上的哪个是启动分区？ 在 BIOS/MBR 系统上： sudo fdisk -l /dev/sda （参见“Boot”的星号）。在 GPT/UEFI 中： lsblk -o NAME,FSTYPE,PARTTYPE,PARTFLAGS,MOUNTPOINT 并查找 EFI 分区（FAT32，类型为 EF00/flags esp）。此外 sudo efibootmgr -v 显示记录的启动条目。

如何获取分区的 UUID？ 连接器 blkid o lsblk -f。 例如： sudo blkid /dev/sda2 返回其 UUID 和其他元数据。

如何让 GRUB 2 等待 10 秒再进入默认条目？ 调整 /etc/default/grub 同 GRUB_TIMEOUT=10 （并且，如果适用， GRUB_TIMEOUT_STYLE=menu）并执行 sudo update-grub o grub2-mkconfig.

GRUB Legacy 命令安装在第二个磁盘的第一个分区上吗？ 打开控制台并运行： root (hd1,0) 进而 setup (hd1,0)。如果您想要 MBR，那么 setup (hd1).

更改 GRUB 2 配置的步骤？ 1）编辑 /etc/default/grub （例如。， GRUB_DEFAULT, GRUB_TIMEOUT), 2) 添加条目 /etc/grub.d/40_custom 如果你需要它们，3）再生 update-grub/grub2-mkconfig，4）重启并测试。

在 GRUB 2 中将自定义菜单放在哪里？ En /etc/grub.d/40_custom （或自己的文件 /etc/grub.d/ 获得适当的权限）。切勿手动编辑 /boot/grub/grub.cfg 除非紧急情况。

GRUB Legacy 中的条目存储在哪里？ En /boot/grub/menu.lst o grub.conf，根据分布。

如何从菜单访问 GRUB 控制台？在 GRUB 2 或 Legacy 中，按“c”键。要编辑特定条目，请按“e”键。这两个快捷键在需要快速诊断问题时非常有用。

常见选项示例

默认启动选择： GRUB_DEFAULT=0 第一局开始； GRUB_DEFAULT=saved 记住上次使用的配置。更改后，重新生成配置。

等待时间： GRUB_TIMEOUT=4 调整菜单延迟； 0 无需暂停即可开始；在某些情况下，您可以使用 GRUB_TIMEOUT_STYLE=hidden 为了更清洁的开始。

菜单更新：在 Debian/Ubuntu 及其衍生产品上， sudo update-grub；在其他情况下， sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg。确保你有 os-prober 如果您想自动检测其他系统，请安装。

虽然 GRUB 也出现在 GNU/Linux 以外的系统中，但请记住它并非技术支持服务。如果你的问题与 Windows 系统相关，最实际的做法是前往专门讨论 Windows 系统的论坛寻求帮助。

GRUB 已从一个简单的启动菜单发展成为一个真正的预系统环境，能够启动多个操作系统、管理复杂的磁盘，并只需几个命令即可帮助您恢复系统。通过适当的配置和一些强化措施（例如 GRUB 密码、LUKS 加密、完善的密钥策略和日志管理），您将拥有一个强大、灵活且最重要的是可控的启动过程。