Linux系統啟動相關：vmlinux、vmlinuz、zImage，和initrd 、 initramfs，以及SystemV 和 SystemD

目錄

一、vmlinux、vmlinuz、zImage、bzImage、uImage

二、initrd 和 initramfs

1、initrd（Initial RAM Disk）

2、initramfs（Initial RAM Filesystem）

3、initrd vs. initramfs 對比

4. 如何查看和生成 initramfs

三、SystemV 和 SystemD 的區別

一、vmlinux、vmlinuz、zImage、bzImage、uImage

vmlinux

是編譯出來的最原始的內核文件，未經壓縮的原始Linux內核可執行文件（ELF格式），包含調試符號，體積非常大。

主要用于內核調試（如用GDB分析崩潰），不直接用于啟動系統。

vmlinuz

vmlinux的壓縮版本（名稱中的?z?表示壓縮），去除了調試符號，體積更小，是bzImage/zImage文件的拷貝或指向bzImage/zImage的鏈接

實際用于系統啟動的通用內核文件名稱（如?/boot/vmlinuz-<version>）

zImage

使用gzip壓縮的小型內核鏡像（適用于老式引導器），大小限制在約512KB

bzImage

Big zImage，同樣壓縮但支持更大內核（現代x86系統的標準格式）

大多數x86架構系統的標準啟動文件（如?/boot/bzImage-<version>）

uImage

uboot專用的內核鏡像格式，在zImage/bzImage前添加U-Boot頭（包含加載地址等信息）

嵌入式系統中使用U-Boot引導時必需的文件（如ARM開發板）

二、initrd 和 initramfs

initrd（Initial RAM Disk）和?initramfs（Initial RAM Filesystem）都是 Linux 內核在啟動過程中使用的臨時根文件系統，用于在掛載真正的根文件系統之前提供必要的驅動、工具和腳本。盡管它們的目的一致，但實現方式不同。以下是它們的區別、工作原理及使用場景：

1、initrd（Initial RAM Disk）

  • 基于塊設備：initrd?是一個壓縮的磁盤映像（通常是?gzip?壓縮的?ext2?或?cramfs?文件系統），由引導加載器（如 GRUB）加載到內存。

  • 需要掛載：內核將其視為一個塊設備（如?/dev/ram0），并掛載為臨時根文件系統（/）。

  • 固定大小：需要預先分配固定大小的內存，可能導致資源浪費或空間不足。

工作流程

（1）引導加載器（如 GRUB）加載內核（vmlinuz）和?initrd?到內存。

（2）內核解壓?initrd?并掛載為臨時根文件系統（/）。

（3）initrd?中的?/linuxrc?或?/init?腳本執行，加載必要的模塊（如磁盤驅動、LVM、加密等）。

（4）腳本掛載真正的根文件系統（如?/dev/sda1），并切換根目錄（pivot_root?或?chroot）。

（5）真正的?init?進程（如?systemd?或?SysVinit）接管，initrd?被卸載。

由于其基于塊設備，效率較低。且大小固定不夠靈活，因此現代 Linux 系統已逐漸淘汰initrd，改用initramfs。

2、initramfs（Initial RAM Filesystem）

  • 基于 tmpfs（內存文件系統）：initramfs是一個?cpio?歸檔文件（通常用?gzip?壓縮），直接解壓到內核的內存文件系統（tmpfs）。

  • 無需掛載：內核直接將其解壓到根文件系統，無需額外的塊設備驅動。

  • 動態大小：按需使用內存，更高效靈活。

  • 現代標準：從 Linux 2.6 開始成為默認機制。

工作流程

  1. 引導加載器?加載內核（vmlinuz）和?initramfs?到內存。

  2. 內核將?initramfs?解壓到?tmpfs?并作為初始根文件系統（/）。

  3. /init（通常是 shell 腳本或?systemd）執行，加載必要的驅動和工具。

  4. 掛載真正的根文件系統，并切換根目錄（pivot_root）。

  5. 真正的?init?進程接管，initramfs?被釋放。

更快的啟動速度（無需掛載塊設備）。動態調整大小，節省內存。支持更復雜的早期用戶空間（如?systemd?在 initramfs 中運行）。

3、initrd vs. initramfs 對比

特性initrdinitramfs
存儲方式塊設備（如?/dev/ram0）tmpfs（內存文件系統）
格式磁盤映像（ext2+gzip）cpio?歸檔（gzip?壓縮）
掛載方式需要掛載為塊設備直接解壓到內存
大小固定大小動態調整
性能較慢（需塊設備訪問）更快（直接內存訪問）
現代使用已淘汰（舊系統可能使用）現代 Linux 默認機制

4. 如何查看和生成 initramfs

（1）查看 initramfs 內容

lsinitramfs /boot/initramfs-$(uname -r).img
# 或
unmkinitramfs /boot/initramfs-$(uname -r).img /tmp/initramfs

（2）生成initramfs

# Debian/Ubuntu（使用 update-initramfs）
update-initramfs -u -k $(uname -r)# RHEL/CentOS（使用 dracut）
dracut --force /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

（3）手動創建 initramfs

# 1. 創建一個簡單的 initramfs 目錄結構
mkdir -p initramfs/{bin,dev,proc,sys}
# 2. 復制必要的工具（如 busybox）
cp /bin/busybox initramfs/bin/
# 3. 創建 init 腳本（必須是可執行的）
echo -e '#!/bin/sh\nmount -t proc proc /proc\nexec /bin/sh' > initramfs/init
chmod +x initramfs/init
# 4. 打包成 cpio.gz
(cd initramfs && find . | cpio -H newc -o | gzip > ../initramfs.cpio.gz)

三、SystemV 和 SystemD 的區別

SystemV 和 SystemD 是 Linux 系統中兩種不同的初始化（init）系統，用于管理系統的啟動和服務。

特性SystemV?(SysV)SystemD
啟動方式順序執行腳本（串行）并行啟動服務
運行級別0-6（如 runlevel3=多用戶模式）使用?target（如?multi-user.target）
服務管理/etc/init.d/?腳本 +?service/chkconfigsystemctl?+?.service?單元文件
日志管理依賴?syslog內置?journalctl
依賴管理手動定義啟動順序自動依賴解析
默認配置文件/etc/inittab/etc/systemd/system/default.target

根據Linux內核驅動流程，在架構有關的匯編代碼完成特定初始化后，會調用start_kernel開始內核的初始化工作；

  • start_kernel函數中有關根文件系統掛載的簡要執行流程概述如下：
start_kernel→ vfs_caches_init()→ mnt_init()→ init_rootfs()          // 注冊rootfs→ init_mount_tree()      // 掛載rootfs到/→ rest_init()→ kernel_init()→ do_basic_setup()→ populate_rootfs()    // 處理initramfs/initrd→ 檢查/init是否存在？→ 是：執行init_post()  // 用戶空間接管→ 否：prepare_namespace()→ mount_root()       // 掛載真實根文件系統→ sys_mount(".", "/", MS_MOVE) // 切換根目錄
  • 其中，rest_init函數中依次創建了三個進程，idle進程，init進程以及kthreadd進程；
  • kernel_init函數中調用do_basic_setup函數，解壓釋放initramfs類型文件系統到rootfs的根目錄，其中就必須包括/init可執行文件；

對于采用SystemV管理的系統

在系統啟動過程中，/init可執行文件通常是init程序本身，在制作initramfs根文件系統時，需要將init程序打包進去，并確保/init指向這個init程序。init程序啟動后，會讀取/etc/inittab文件來確定系統的默認運行級別，并執行相應的腳本。
具體步驟如下：

  • 制作initramfs根文件系統時，將init程序打包進去。
  • 創建/init到init程序的軟鏈接。
  • init程序啟動后，讀取/etc/inittab文件，確定系統的默認運行級別。
  • 根據運行級別，init程序會執行/etc/rc.d/rc script，該腳本會進一步調用/etc/rc.d/rc<number>腳本（其中<number>是運行級別）。
  • /etc/rc.d/rc<number>腳本會啟動或停止相應的服務，以完成系統的初始化過程。

對于采用SystemD管理的系統，

  • 實際上/init可執行文件是systemd的符號鏈接，所以在init_post函數中執行的用戶進程即為systemd;
  • 在制作initramfs根文件系統時，將systemd程序也打包進去，創建/init到systemd的軟鏈接，即可啟動systemd;
  • systemd啟動后，完成后續的linux操作系統加載過程。

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