浅析 GRUB 如何加载 Linux kernel

前言

对于 GRUB 的加载流程，网上绝大部分都是写对 menu.lst, grub.cfg 这些 GRUB 配置文件的编写流程，就像是写脚本语言一样，用些关键字就能让 PC机能正确启动桌面 Linux 了。但这只是 GRUB 的使用，而不是GRUB的分析。

本来是没有想要探究 GRUB 的想法，直到我在自制toy kernel 的学习中进入了 “虚拟内存管理”这一章节。很多介绍虚拟内存管理的时候都会说到 Linux 的内存管理，Linux 内核会加载到系统 3G～4G 的虚拟内存中, 但 GRUB 是没有开启虚拟内存的，Linux 内核的加载是被谁，又是如何加载相应段到 3G～4G 区的呢。

分析 kernel

vmLinux

我们看下内核源码编译后的最原始文件 vmLinux。该文件是 ELF 文件，使用 readelf 读下该文件的 Section header.

这里只截了几个段显示，后面的段都类似. 可以看到这些需要加载的段的地址的确是在 0xC0000000 之后。但 vmLinux 并不是可引导的Linux 内核文件。

Linux启动的相关信息一般都在 `/boot` 下，我们看下里面的内容.

可以看到 grub 文件夹，grub 就是引导 Linux 进行启动的 bootloader，我们看下 `/boot/grub/grub.cfg` 文件的内容。

menuentry 'Linux Mint 17 {
    recordfail
    gfxmode $linux_gfx_mode
    insmod gzio
    insmod part_msdos
    insmod ext2
    set root='hd0,msdos1'
    linux /boot/vmlinuz-3.13.0-24-generic
    initrd /boot/initrd.img-3.13.0-24-generic
 }
带有 linux 的一行就指定了启动的内核，可以看到不是 vmlinux 文件，而是 vmlinuz 文件。

 vmlinuz
搜索后可以看到 vmlinuz 是**可引导的，压缩**的内核。 initrd 是"initial ramdisk" 的简写，是临时的虚拟磁盘，暂时不讨论。 因为我电脑上 vmlinuz 是64 bit的，对 64bit不太了解，所以找了个 32bit 的vmlinuz 文件来作解析。先试试`readelf`命令。

# readelf -S vmlinuz

readelf：错误： Unable to read in 0x7269 bytes of 节头

readelf：错误： 不是 ELF 文件 - 它开头的 magic 字节错误

 不是 ELF 文件， 那试试 `objdump` 吧。

# objdump -afh vmlinuz

objdump: vmlinuz: 不可识别的文件格式
还是不行。

 这个时候之所以会相当用这些命令看 vmlinuz 文件的段信息，因为在我的 toy kernel 中使用的是 ELF 文件，而且是使用 grub 加载的，对于 ELF 文件来说内部保护若干 section， 执行时这些 section 必须要在特地的内存地址上. 使用 `readelf` 查看toy kernel 的 section header 信息如下.

可以看到 Addr 段就是内核运行时这些段在内存中的地址。而加载我的内核的 grub 的配置如下

title toy kernel

root (fd0)

kernel /zkernel

module /initrd

vmlinuz 之所以叫做压缩的内核，是因为它是使用 gzip 压缩后得来，而且不单单是个纯数据包，在文件开头部分内嵌有 gzip 解压缩代码，相当于"自解压"。我的内核需要由grub加载好相应的 section， 但 vmlinuz 都读不出来段如何让 grub 加载？

 其实答案就在上面的 grub 配置文件里，在 linux 中声明内核使用的是 *linux* 关键字，在我的配置中声明内核使用的却是 *kernel*. 可以明确看出，grub对 linux 的加载是特殊对待的， 但具体怎么特使对待，只能从源代码里看了。