Linux系统启动相关：vmlinux、vmlinuz、zImage，和initrd 、 initramfs，以及SystemV 和 SystemD

目录

一、vmlinux、vmlinuz、zImage、bzImage、uImage

二、initrd 和 initramfs

1、initrd（Initial RAM Disk）

2、initramfs（Initial RAM Filesystem）

3、initrd vs. initramfs 对比

4. 如何查看和生成 initramfs

三、SystemV 和 SystemD 的区别

一、vmlinux、vmlinuz、zImage、bzImage、uImage

vmlinux

是编译出来的最原始的内核文件，未经压缩的原始Linux内核可执行文件（ELF格式），包含调试符号，体积非常大。

主要用于内核调试（如用GDB分析崩溃），不直接用于启动系统。

vmlinuz

vmlinux的压缩版本（名称中的 z 表示压缩），去除了调试符号，体积更小，是bzImage/zImage文件的拷贝或指向bzImage/zImage的链接

实际用于系统启动的通用内核文件名称（如 /boot/vmlinuz-<version>）

zImage

使用gzip压缩的小型内核镜像（适用于老式引导器），大小限制在约512KB

bzImage

Big zImage，同样压缩但支持更大内核（现代x86系统的标准格式）

大多数x86架构系统的标准启动文件（如 /boot/bzImage-<version>）

uImage

uboot专用的内核镜像格式，在zImage/bzImage前添加U-Boot头（包含加载地址等信息）

嵌入式系统中使用U-Boot引导时必需的文件（如ARM开发板）

二、initrd 和 initramfs

initrd（Initial RAM Disk）和 initramfs（Initial RAM Filesystem）都是 Linux 内核在启动过程中使用的临时根文件系统，用于在挂载真正的根文件系统之前提供必要的驱动、工具和脚本。尽管它们的目的一致，但实现方式不同。以下是它们的区别、工作原理及使用场景：

1、initrd（Initial RAM Disk）

  • 基于块设备：initrd 是一个压缩的磁盘映像（通常是 gzip 压缩的 ext2 或 cramfs 文件系统），由引导加载器（如 GRUB）加载到内存。

  • 需要挂载：内核将其视为一个块设备（如 /dev/ram0），并挂载为临时根文件系统（/）。

  • 固定大小：需要预先分配固定大小的内存，可能导致资源浪费或空间不足。

工作流程

（1）引导加载器（如 GRUB）加载内核（vmlinuz）和 initrd 到内存。

（2）内核解压 initrd 并挂载为临时根文件系统（/）。

（3）initrd 中的 /linuxrc 或 /init 脚本执行，加载必要的模块（如磁盘驱动、LVM、加密等）。

（4）脚本挂载真正的根文件系统（如 /dev/sda1），并切换根目录（pivot_root 或 chroot）。

（5）真正的 init 进程（如 systemd 或 SysVinit）接管，initrd 被卸载。

由于其基于块设备，效率较低。且大小固定不够灵活，因此现代 Linux 系统已逐渐淘汰initrd，改用initramfs。

2、initramfs（Initial RAM Filesystem）

  • 基于 tmpfs（内存文件系统）：initramfs是一个 cpio 归档文件（通常用 gzip 压缩），直接解压到内核的内存文件系统（tmpfs）。

  • 无需挂载：内核直接将其解压到根文件系统，无需额外的块设备驱动。

  • 动态大小：按需使用内存，更高效灵活。

  • 现代标准：从 Linux 2.6 开始成为默认机制。

工作流程

  1. 引导加载器 加载内核（vmlinuz）和 initramfs 到内存。

  2. 内核将 initramfs 解压到 tmpfs 并作为初始根文件系统（/）。

  3. /init（通常是 shell 脚本或 systemd）执行，加载必要的驱动和工具。

  4. 挂载真正的根文件系统，并切换根目录（pivot_root）。

  5. 真正的 init 进程接管，initramfs 被释放。

更快的启动速度（无需挂载块设备）。动态调整大小，节省内存。支持更复杂的早期用户空间（如 systemd 在 initramfs 中运行）。

3、initrd vs. initramfs 对比

特性initrdinitramfs
存储方式块设备（如 /dev/ram0）tmpfs（内存文件系统）
格式磁盘映像（ext2+gzip）cpio 归档（gzip 压缩）
挂载方式需要挂载为块设备直接解压到内存
大小固定大小动态调整
性能较慢（需块设备访问）更快（直接内存访问）
现代使用已淘汰（旧系统可能使用）现代 Linux 默认机制

4. 如何查看和生成 initramfs

（1）查看 initramfs 内容

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）手动创建 initramfs

# 1. 创建一个简单的 initramfs 目录结构
mkdir -p initramfs/{bin,dev,proc,sys}
# 2. 复制必要的工具（如 busybox）
cp /bin/busybox initramfs/bin/
# 3. 创建 init 脚本（必须是可执行的）
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 的区别

SystemV 和 SystemD 是 Linux 系统中两种不同的初始化（init）系统，用于管理系统的启动和服务。

特性SystemV (SysV)SystemD
启动方式顺序执行脚本（串行）并行启动服务
运行级别0-6（如 runlevel3=多用户模式）使用 target（如 multi-user.target）
服务管理/etc/init.d/ 脚本 + service/chkconfigsystemctl + .service 单元文件
日志管理依赖 syslog内置 journalctl
依赖管理手动定义启动顺序自动依赖解析
默认配置文件/etc/inittab/etc/systemd/system/default.target

根据Linux内核驱动流程，在架构有关的汇编代码完成特定初始化后，会调用start_kernel开始内核的初始化工作；

  • start_kernel函数中有关根文件系统挂载的简要执行流程概述如下：
start_kernel→ vfs_caches_init()→ mnt_init()→ init_rootfs()          // 注册rootfs→ init_mount_tree()      // 挂载rootfs到/→ rest_init()→ kernel_init()→ do_basic_setup()→ populate_rootfs()    // 处理initramfs/initrd→ 检查/init是否存在？→ 是：执行init_post()  // 用户空间接管→ 否：prepare_namespace()→ mount_root()       // 挂载真实根文件系统→ sys_mount(".", "/", MS_MOVE) // 切换根目录
  • 其中，rest_init函数中依次创建了三个进程，idle进程，init进程以及kthreadd进程；
  • kernel_init函数中调用do_basic_setup函数，解压释放initramfs类型文件系统到rootfs的根目录，其中就必须包括/init可执行文件；

对于采用SystemV管理的系统

在系统启动过程中，/init可执行文件通常是init程序本身，在制作initramfs根文件系统时，需要将init程序打包进去，并确保/init指向这个init程序。init程序启动后，会读取/etc/inittab文件来确定系统的默认运行级别，并执行相应的脚本。
具体步骤如下：

  • 制作initramfs根文件系统时，将init程序打包进去。
  • 创建/init到init程序的软链接。
  • init程序启动后，读取/etc/inittab文件，确定系统的默认运行级别。
  • 根据运行级别，init程序会执行/etc/rc.d/rc script，该脚本会进一步调用/etc/rc.d/rc<number>脚本（其中<number>是运行级别）。
  • /etc/rc.d/rc<number>脚本会启动或停止相应的服务，以完成系统的初始化过程。

对于采用SystemD管理的系统，

  • 实际上/init可执行文件是systemd的符号链接，所以在init_post函数中执行的用户进程即为systemd;
  • 在制作initramfs根文件系统时，将systemd程序也打包进去，创建/init到systemd的软链接，即可启动systemd;
  • systemd启动后，完成后续的linux操作系统加载过程。

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