什麼是 GRUB：GNU 啟動管理器完整指南

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如果你在電腦上安裝了 GNU/Linux 系統，或使用多個作業系統，那麼你很可能聽過 GRUB。它是一個小巧但功能強大的程序，會在系統啟動前顯示，讓你可以選擇要載入的元件。雖然它常常被忽略，但它對於啟動作業系統以及將控制權順利移交給核心至關重要。

在PC啟動領域，GRUB憑藉其強大的功能和靈活性已成為事實上的標準。它誕生於GNU項目，如今已成為GNU/Linux系統中應用最廣泛的啟動管理器，兼容多種架構和文件系統，對新手友好易用，同時也是那些追求啟動過程細節精細化的用戶的瑞士軍刀。

GNU GRUB 是什麼以及它有什麼用途？

GNU GRUB（GNU GRand Unified Bootloader，GNU GRand Unified Bootloader，GNU GRUB）是一個多啟動管理器：當電腦開機時，韌體（BIOS 或 UEFI）會運行該軟體來選擇和載入作業系統。它允許用戶選擇選單項目、向核心傳遞參數、從網路啟動，甚至可以與控制台互動以排查特定問題。

它主要用於 GNU/Linux 發行版，但也曾被其他系統使用，例如 x86 架構的 Solaris。在現代UEFI系統中，韌體會直接載入位於 EFI 系統分割區 (ESP) 中的 GRUB 可執行檔（前提是該檔案已在 NVRAM 中註冊）；在 BIOS/MBR 系統中，GRUB 會佔用磁碟的初始磁區並從那裡繼續載入。

除了典型的選單之外，GRUB 還符合多重啟動規範，這意味著它可以無縫啟動相容的核心。一旦核心載入到記憶體中，GRUB 就會交出控制權，它的任務就完成了，這絕非易事。

技術表和項目數據

GRUB 是 GNU 生態系統的一部分，並以 GNU GPL v3 或更高版本授權發布，屬於自由軟體。它的開發是開源的，擁有官方程式碼庫、錯誤追蹤系統和網站，以及一個非常活躍的社群。

它主要用 C 語言和彙編語言編寫，可在多個平台上運行： IA-32、x86-64 和 PowerPC等等。目前分支是 GRUB 2（歷史悠久的“GRUB Legacy”的重新實現）。最新發布的穩定版本是 2.12 （2023 年 12 月 20 日）。如果您想檢查本地版本，可以運行： grub-install --version 你就會看到相應的鏈。

一些歷史和演變

GRUB 最初是Erich Stefan Boleyn在 GNU Hurd 和 Mach 微內核框架下提出的專案。為了解決啟動方式的差異，創建了多重啟動規範 (Multiboot Specification)，該規範旨在使引導程式和核心「使用同一種語言」。 1999 年， Gordon Matzigkeit 和 Yoshinori Okuji牽頭將其納入 GNU 專案的官方軟體包。

大約在2002年，一群日本研究人員啟動了PUPA（Preliminary Universal Programming Architecture，初步通用程式架構）項目，旨在重寫GRUB，使其更加健壯和模組化。這項工作最終催生了GRUB 2，而先前的版本則被稱為「GRUB Legacy」（其0.97版本最後一次更新是在2005年）。從2007年開始，一些發行版遷移到了GRUB 2，到2009年底，絕大多數發行版都預設包含了GRUB 2 。

如何使用 GRUB（BIOS 和 UEFI）啟動計算機

當你開啟電腦時，韌體會執行檢查（RAM、時脈、裝置、啟動順序）並尋找開機載入程式。在具有 BIOS/MBR 的系統上，控制權會轉移到 主開機記錄 (MBR)，磁碟的初始 512 位元組GRUB 分為幾個階段：階段 1（MBR 中的最小程式碼）、階段 1.5（位於後續磁區，用於理解檔案系統）和階段 2（選單和進階功能）。在 GRUB 2 中，「1.5」不再存在；現在有具體的映像，例如 boot.img, core.img 以及根據安裝組合的模組（*.mod）。

在 UEFI 中，這個過程更直接：韌體會從 EFI 分割區執行 GRUB EFI 二進位（前提是 GRUB EFI 已正確安裝和註冊）。無論哪種情況，GRUB 都會顯示一個選單或控制台，載入選定的內核，然後將執行權限移交給該內核。

多重引導規格和相容性

GRUB 實現了多重啟動，允許無需特殊「技巧」即可啟動相容的核心。此外，對於不支援多重啟動的系統（例如Windows 或 DOS），它提供了鍊式加載，目標指向其引導程式所在的分割區的第一個磁區。

它的檔案系統相容性非常廣泛：包括Btrfs、ext2/3/4、FAT12/16/32、exFAT、HFS/HFS+、ISO9660、Nilfs2、NTFS、ReiserFS、ZFS、ROMFS、JFS 和 XFS等。它還可以讀取 LVM 捲和 RAID 陣列中的數據，這在儲存結構複雜時是一個顯著的優勢。

特色和功能

• 選單介面 可配置且高度靈活的互動終端，具有 Tab 自動完成功能和 Bash 風格的快捷方式。
• 支持 LBA（邏輯區塊尋址） 克服經典 BIOS 限制並讀取超過 1024 個柱面。
• 能力 網路啟動 （PXE/TFTP）和遠端終端，在集中管理場景中很有用。
• 自動解壓縮和識別多種可執行格式。
• 持久性儲存變數 儲存環境/載入環境 y grub-editenv （當平台允許時）。
• 所有 RAM 檢測、磁碟幾何獨立性以及 透過標籤和 UUID 進行搜尋的機制.
• 選單和背景的圖形支持，以及維護的模組化設計 核心映像 很小，並根據需要加載模組。

關鍵術語：設備、分割區和路徑

GRUB 以自己的方式命名磁碟和分割區。第一個磁碟通常是 （hd0），第一個分區 （hd0,1） 在 GRUB 2 中（記住：在 GRUB 2 中，編號從 1 開始；在 Legacy 中，編號從 0 開始）。若要指整個磁碟，請省略分割區： (hd0).

為了指示文件，設備與路徑結合： (hd0,1)/ruta/al/archivo。它還支援 屏蔽名單 （封鎖清單）當需要指示檔案系統中不可見的檔案在磁碟上的確切位置時，例如 (hd0,1)+1 對於分區的第一個扇區，有用 chainloader +1.

GRUB 中的「根檔案系統」與 Linux 中的「/」並不相同。它只是GRUB 讀取檔案的根分割區；一旦 Linux 核心取得控制權，它就會定義自己的實際根目錄，GRUB 中的其他一切都會變得無關緊要。

GRUB 介面

GRUB 提供三種主要視圖。最熟悉的是選單，其中包含預先配置的條目；您可以使用箭頭鍵導航，按 Enter 鍵啟動，按「e」鍵編輯條目，或按「c」鍵開啟控制台。

輸入編輯器允許您即時修改行（使用“o/O”添加，使用“e”編輯，使用“d”刪除），如果一切正常，則使用“b”啟動。它非常適合在不修改文件的情況下測試內核參數。

控制台模式功能最強大：它支援上下文自動補全、編輯快捷鍵，以及GRUB所有用於定位磁碟、載入核心/initrd 或鍊式載入的內部命令。如果設定檔遺失或損壞，GRUB 會將您引導至此模式，以便您手動解決問題。

常見錯誤訊息

錯誤可能出現在初始階段（較為有限）或載入功能表和模組時（描述更為詳細）。以下是 GRUB 可能顯示的一些典型錯誤代碼，為了清晰起見，已進行改寫：

• 1：無效或非絕對路徑；2：無效檔案類型（不是常規檔案）；3–4：解壓縮過程中資料/標頭損壞；5： 分區表損壞 或無效。
• 6：Stage1/Stage2 不相容；7：不支援載入 1 MB 以下的內容；8：嘗試在未載入核心的情況下啟動；9：未知啟動失敗。
• 10：不支援多重引導功能；11：無法辨識設備；12：無效設備；13：不支援的可執行格式。
• 14：檔案系統阻止讀取整個檔案；15： 文件未找到；16：文件系統結構不一致。
• 17：無法掛載所選分割區；18：柱面超出 BIOS 支援的範圍（舊磁碟機上常見）；19：Initrd 先於核心。
• 20：多重開機核心之前的模組；21：選定的磁碟不存在；22：不存在的分割區；23：解釋數字時出錯。
• 24：存取分割區外的區塊；25：磁碟讀取錯誤；26：符號連結過多；27：未知指令。
• 28：專案不適合記憶體；29：磁碟寫入錯誤；30：無效參數；31：檔案未按磁區對齊（ReiserFS，使用 無尾).
• 32：需要身份驗證；33：未配置串行設備；34：MBR 後沒有用於階段 1.5 的空閒扇區（與 EZ-BIOS 衝突或分區啟動過早）。

基本 GRUB 指令

在控制台中，你可以執行非常有用的互動式命令。例如： boot 啟動最後載入的程式（核心或鍊式載入程式），並且 chainloader <archivo> 從鏈中載入磁區或檔案；Windows 的典型捷徑是 chainloader +1.

displaymem 根據 BIOS 顯示記憶體使用情況，如果您不確定偵測到的 RAM，此功能非常方便。使用 initrd <archivo> 您指定核心所需的初始 RAM 磁碟映像。

要從 GRUB Legacy 控制台安裝到 MBR，您使用了 install 前往 階段1, 階段2 以及可選的設定檔。目前在 GRUB 2 中，從系統中使用 grub-install 並使用 update-grub/grub2-mkconfig.

命令 kernel 指定內核二進位檔案及其參數，例如： kernel /vmlinuz root=/dev/sda5通常先於 root (hdX,Y) o rootnoverify 設定 GRUB 將從中讀取的分割區。

設定檔和指令

在 GRUB Legacy 中，選單位於 /boot/grub/menu.lst o grub.conf，指令如下 color, default, fallback, hiddenmenu, password, timeout, splashimage 和方塊 title 每個系統的訂單。

一個典型的例子（解釋如下）包括 Linux 部分 root (hd0,2), kernel 其 根參數=/…，而 boot；另一個適用於 Windows rootnoverify (hd0,1) y chainloader +1.

在 GRUB 2 中，自動產生的檔案是 /boot/grub/grub.cfg。不建議手動編輯；而是調整 /etc/default/grub （例如 GRUB_TIMEOUT, GRUB_DEFAULT等）並新增自訂條目 /etc/grub.d/40_custom.然後執行 update-grub o grub2-mkconfig 重新產生選單。

GRUB Legacy 和 GRUB 2 之間的主要區別

• 設定檔來自 menu.lst/grub.conf a grub.cfg，使用更新的語法和命令並透過自動生成 grub-mkconfig.
• 分割區編號 始於1 在 GRUB 2 中（在 Legacy 中它從 0 開始）。
• 變數的持久性 save_env/load_env 在某些配置中。
• 更好的路線檢測和 透過 UUID/標籤搜尋；支援更多檔案系統。
• 直接讀取 LVM 和 RAID.
• 終端和選單圖形以及重新組織的圖像：Stage 1.5 已經消失； boot.img, core.img 和動態模組（*.mod）。

使用 GRUB 進行安全性和強化

安全性差的引導管理器就像一個篩子。如果有人擁有實體存取權限，就能編輯核心參數或啟動不同的啟動項，那麼你的安全措施就形同虛設。因此，建議使用密碼保護 GRUB，並實施最佳實務。

設置一個 強密碼 限制條目修改或控制台存取。在 GRUB 2 中，使用使用者名稱和密碼 grub-mkpasswd-pbkdf2 並在腳本中配置相應的規則 /etc/grub.d/.

它還包含使用 LUKS 的磁碟加密，即使有人竊取了計算機，也無法讀取資料。此外，它還確保系統密碼策略嚴格，以減少暴力破解攻擊。

明智地管理您的日誌歷史記錄：那些會給攻擊者線索的日誌應該盡量減少或集中管理，並輔以訪問控制；那些有助於審計惡意嘗試的日誌應該匯總並在安全的位置進行分析。

若要偵測其他已安裝的系統並自動產生條目，請安裝 os-prober它將節省您的時間並防止重新建立選單時發生錯誤。

安裝與維護

如果你在安裝發行版時沒有安裝 GRUB，可以稍後再安裝。在 GRUB 2 系統中，運行 sudo grub-install /dev/sdX （用你的磁碟替換）然後 sudo update-grub o sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg您將在下次啟動時看到選單。

從 GRUB Legacy 控制台，經典過程是指示根並運行安裝： root (hd1,0) 接下來 setup (hd1,0) 對於第二個磁碟的第一個分割區，或者 setup (hd1) 如果您指向第二個磁碟的 MBR。

直接編輯 /boot/grub/grub.cfg 即使從技術上講這是可行的，但這在 GRUB 2 中並不是一個好主意。 推薦路線 就是要改變 /etc/default/grub， 採用 /etc/grub.d/40_custom 為了自己的內容和再生。

實際問題和有用的捷徑

如何知道 /dev/sda 上的哪一個是啟動分割區？ 在 BIOS/MBR 系統上： sudo fdisk -l /dev/sda （參見“Boot”的星號）。在 GPT/UEFI 中： lsblk -o NAME,FSTYPE,PARTTYPE,PARTFLAGS,MOUNTPOINT 並尋找 EFI 分割區（FAT32，類型為 EF00/flags esp）。另外 sudo efibootmgr -v 顯示記錄的啟動條目。

如何取得分割區的 UUID？ 同 blkid o lsblk -f。 例如： sudo blkid /dev/sda2 返回其 UUID 和其他元數據。

如何讓 GRUB 2 等待 10 秒再進入預設條目？ 調整 /etc/default/grub 同 GRUB_TIMEOUT=10 （並且，如果適用， GRUB_TIMEOUT_STYLE=menu）並執行 sudo update-grub o grub2-mkconfig.

GRUB Legacy 指令安裝在第二個磁碟的第一個分割區上嗎？ 打開控制台並運行： root (hd1,0) 進而 setup (hd1,0)。如果您想要 MBR，那麼 setup (hd1).

更改 GRUB 2 配置的步驟？ 1）編輯 /etc/default/grub （例如。， GRUB_DEFAULT, GRUB_TIMEOUT), 2) 新增條目 /etc/grub.d/40_custom 如果你需要它們，3）再生 update-grub/grub2-mkconfig，4）重啟並測試。

在 GRUB 2 中將自訂選單放在哪裡？ En /etc/grub.d/40_custom （或自己的文件 /etc/grub.d/ 獲得適當的權限）。切勿手動編輯 /boot/grub/grub.cfg 除非緊急情況。

GRUB Legacy 中的條目儲存在哪裡？ En /boot/grub/menu.lst o grub.conf，根據分佈。

如何從選單存取 GRUB 控制台？在 GRUB 2 或 Legacy 中，按下「c」鍵。若要編輯特定條目，請按“e”鍵。這兩個快捷鍵在需要快速診斷問題時非常有用。

常見選項範例

預設啟動選擇： GRUB_DEFAULT=0 第一局開始； GRUB_DEFAULT=saved 記住上次使用的配置。更改後，重新產生配置。

等待時間： GRUB_TIMEOUT=4 調整選單延遲； 0 無需暫停即可開始；在某些情況下，您可以使用 GRUB_TIMEOUT_STYLE=hidden 為了更乾淨的開始。

選單更新：在 Debian/Ubuntu 及其衍生產品上， sudo update-grub；在其他情況下， sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg。 確保你有 os-prober 如果您想自動偵測其他系統，請安裝。

雖然 GRUB 也出現在 GNU/Linux 以外的系統中，但請記住它並非技術支援服務。如果你的問題與 Windows 系統相關，最實際的做法是前往專門討論 Windows 系統的論壇尋求協助。

GRUB 已從一個簡單的啟動選單發展成為一個真正的預系統環境，能夠啟動多個作業系統、管理複雜的磁碟，並只需幾個命令即可幫助您復原系統。透過適當的配置和一些強化措施（例如 GRUB 密碼、LUKS 加密、完善的金鑰策略和日誌管理），您將擁有一個強大、靈活且最重要的是可控的啟動過程。