从失败的 Linux 引导中恢复

使用 GRUB 2 的功能在最糟的情况下启动系统

当您的 Linux® 计算机在执行内核升级、磁盘更换或其他系统更改后无法引导时,您并不是孤立无援的。Grand Unified Bootloader (GRUB) 提供了一些方法来控制引导过程和恢复。或者,在必要的时候,您使用外部工具创建的紧急引导磁盘可能会派上用场。了解可帮助您在存在问题的情形下引导系统的一些过程和 GRUB 命令,找到一个针对基于 BIOS 的系统的至关重要的外部工具。

Roderick W. Smith, 顾问兼作家

Roderick W. Smith 是一位顾问兼作家,他撰写了十多本关于 UNIX 和 Linux 的书,包括 The Definitive Guide to Samba 3、Linux in a Windows World Linux Professional Institute Certification Study Guide。他还是 GPT fdisk 分区软件的作者。他目前定居罗得岛州的 Woonsocket 市。



2013 年 10 月 22 日

大多数 Linux 计算机使用 Grand Unified Bootloader (GRUB) — 更具体的讲是 GRUB 2 — 来控制从计算机的固件到内核的转移。GRUB 2 提供了复杂的引导时用户交互功能,为您提供了控制引导过程的能力。您可能不想每天都使用这些功能,但它们在处理问题的时候很重要,比如计算机在执行内核升级、磁盘更换或其他系统更改后无法引导的时候。一些技巧和 GRUB 命令可帮助您在这些情形下引导计算机,节省宝贵的时间。您也可以使用紧急引导磁盘引导您正常的 Linux 系统,即使在引导装载程序激活的常规初始阶段出现问题,也可以这样做。

一般来讲,GRUB 恢复能解决两种类型的问题:可使用 GRUB 的内置 shell 解决的问题和需要外部工具的问题。本文将介绍这两种类型的问题,并使用 Super GRUB2 Disk 作为一个可在必要时使用的外部工具的例子。(本文着重介绍了 GRUB 2,但这里提供的一些信息也适用于 GRUB Legacy。从 “迁移到 GRUB 2” 中,可以了解 GRUB Legacy 与 GRUB 2 之间的区别。)

了解 GRUB 2 的控制结构

在深入了解恢复细节之前,您应了解 GRUB 工作原理的一些基本知识。计算机的引导过程很复杂,如果引导过程偏离了引导路径,那么对引导路径有一定的了解可以帮助您解决问题。我首先将介绍引导代码和 GRUB 文件位于计算机上何处,以便您可找到它们,或者在某个缺少的文件导致出现问题时识别可能缺少了哪个文件。GRUB 配置文件格式的完整描述不属于本文的讨论范围,但我会介绍该配置的基本知识,帮助您更正简单的错误(比如错误指定的引导文件系统)。

找到 GRUB 文件

大多数使用基本输入/输出系统 (BIOS) 的计算机上的引导过程都涉及到存储在磁盘上各个位置的代码。这些位包括主引导记录 (Master Boot Record, MBR)、未正式分配的磁盘扇区和分区的引导扇区(也称为分区引导记录 [Partition Boot Record, PBR])。这些记录可由其他引导装载程序改写,由病毒或具有与 GRUB 冲突的需求的低级磁盘改写,或者由于误用 dd 等低级实用程序而遭到损坏。在出现这些损坏时,GRUB 不太可能完全启动,您可能需要使用一个工具,比如 Super GRUB2 Disk

许多较新的计算机使用的是可扩展固件接口 (Extensible Firmware Interface, EFI) 而不是 BIOS。在这些系统上,GRUB 代码未存储在 MBR、PBR 或未正式分配的磁盘扇区中。它们位于 EFI 系统分区 (ESP) 上一个具有 .efi 扩展名的 EFI 引导装载程序文件中,ESP 是一个通常出现在磁盘开头并具有文件分配表 (File Allocation Table, FAT) 格式的分区。EFI 系统不易受到与 BIOS 系统相同类型的低级引导装载程序的破坏,但它们可能由于对计算机的非易失性 RAM (NVRAM) 设置的更改而发生故障。在这些情况下,您可能需要执行一次紧急引导,然后使用 efibootmgr 实用程序还原 GRUB,用它作为默认的引导装载程序。

除了低级 BIOS 或 EFI 引导文件之外,GRUB 2 还依赖于 /boot/grub 中的传统文件。这些文件包括文件系统驱动程序、视频驱动程序、字体和 GRUB 配置文件 (grub.cfg)。因为这些文件位于正常的 Linux 文件系统中,所以早期引导阶段必须包含至少一个基本的 Linux 文件系统驱动程序。如果这些文件被损坏,GRUB 可能会正常启动,但无法启动您的操作系统;或者 GRUB 可能启动并且只显示一个 grub> 提示符。

编辑配置文件

在大多数系统上,GRUB 2 配置文件是 /boot/grub/grub.cfg 或 /boot/grub2/grub.cfg。但是,一些基于 EFI 的系统将它放在 ESP 上的一个目录中。这个目录可能是 /boot/efi/EFI/grub/grub.cfg 或其他类似位置。但在大多数情况下,不能直接对 grub.cfg 文件进行编辑;它是由脚本拼凑起来的。您可以在 /etc/grub.d 目录中找到一些组成片段。如果需要更改您的标准 GRUB 2 配置,那么可以编辑这些文件。

无论它是如何构建的,grub.cfg 都包含全局选项和特定于操作系统或内核的引导代码节 (stanza)。Linux 发行版可针对大多数计算机正确设置其全局 GRUB 2 配置。如果您有一个不常见的配置,那么您可能需要分析全局 GRUB 2 配置来查找问题的原因。

GRUB 2 的引导选项定义了各个操作系统或内核。这些引导代码节通常位于 grub.cfg 文件的后半部分。清单 1 显示了一个示例:

清单 1. 引导 Linux 的示例 GRUB 2 代码节
menuentry 'Ubuntu, with Linux 3.2.0-24-generic-pae' {
   recordfail
   gfxmode $linux_gfx_mode
   insmod gzio
   insmod part_gpt
   insmod reiserfs
   set root='(hd0,gpt6)'
   search --no-floppy --fs-uuid --set=root 313324f5-a9ed-4e80-b541-dc9e5eeb89fc
   linux   /vmlinuz-3.2.0-23-generic-pae root=/dev/sda7 ro quiet splash $vt_handoff
   initrd  /initrd.img-3.2.0-23-generic-pae
}

清单 1 中的内容的一些关键点包括:

  • insmod 命令加载驱动程序模块。
  • set root 行识别从中读取内核和初始 RAM 磁盘的分区,但 search 行随后会改写此值,并根据它包含的文件系统的通用惟一识别码 (UUID) 编号查找该分区。
  • linux 行标识一个 Linux 内核,并设置传递给它的选项。
  • initrd 行标识一个传递给内核的初始 RAM 磁盘文件。

在引导时与 GRUB 2 交互

为了能够修复问题,您首先需要了解正常引导过程和可调整它的方式。通常,您可以使用 GRUB 2 的内置编辑器调整引导选项来修复较小的问题。有时可使用 GRUB 2 的内置 shell 从更严重的问题中恢复。

了解正常引导过程

在传统上,GRUB 显示了一个文本模式菜单(类似于图 1 中所示的菜单)来显示您的引导选项。(在如今的许多安装中,GRUB 隐藏了这个菜单,但可以通过一个按键调出它。)

图 1. GRUB 菜单
显示引导选项的简单 GRUB 文本模式菜单的屏幕截图。在这个示例中,提供的选项包括 Ubuntu、Ubuntu(恢复模式)、以前的 Linux 版本和两个内存测试。

在正常引导过程中,可使用上下箭头键导航该菜单,然后按下 Enter 键选择想要的选项。在 Linux 系统上,GRUB 随后会加载内核和初始 RAM 磁盘,并将计算机的控制权转交给内核。

更改引导选项

如果您看到一个类似 图 1 的 GRUB 选项,但您的选项尚未生效,那么可能是引导选项出了问题。GRUB 包含一个简单的文本编辑器,可在运行时使用它临时更改您的引导代码节。要更改引导选项,可在 GRUB 菜单中选择最接近您想要实现的目标的选项,然后按下 e 键。结果类似于图 2:

图 2. GRUB 文本编辑器
GRUB 文本编辑器中出现的一个引导代码节的屏幕截图

图 2 中的各行与 清单 1 中的引导代码节中的各行相同。您可以编辑这些选项,就像使用 Linux 中的文本模式编辑器一样。您在此编辑器中执行的所有更改都是临时性的。(要了解如何执行永久更改,请参阅本文后面的 执行永久修复。)

在文本编辑器中编辑引导代码节通常是为了执行一次性引导更改。例如,假设您希望引导到单用户模式来执行低级维护,但 GRUB 中没有单用户选项。要实现此目的,可编辑引导代码节,并将 single 添加到 linux 行末尾。完成上述操作后,按下 Ctrl-xF10 来进行引导,就像屏幕底部给出的提示一样。

如果创建一个新 GRUB 选项但它无法启动,那么您可以检查此引导选项来发现问题。或许该选项包含录入错误,比如写成了 linu 而不是 linux。或许您省略了 initrd 行。或许您指定了错误的引导文件系统。一般而言,可使用您的系统和 GRUB 2 配置的知识来更正这类问题。但是,在其他情况下,您可能缺乏相关的重要知识。例如,您可能需要了解引导文件系统的标识符是什么。在这些情况下,或者在问题变得更严重的时候,您可以使用 GRUB 2 shell。

使用 GRUB 2 shell

GRUB 包含它自己的内置 shell,您可在其中键入与 Bash 或其他 Linux 文本模式 shell 中键入的命令类似的命令。根据 Linux 标准,GRUB shell 很简单,但使用它来应对许多紧急维护任务已经足够。要从 GRUB 主菜单进入该 shell(图 1),可按下 c。要从 GRUB 编辑器进入该 shell(图 2),可按下 Ctrl-cF2。结果类似于图 3:

图 3. GRUB shell
启动后的 GRUB shell 的屏幕截图

GRUB 2 shell 支持一系列命令,其中许多命令与 grub.cfg 中用于控制菜单驱动的引导过程的命令类似或等同。如果非常熟悉 GRUB 2 配置文件格式,那么您可以在 shell 中键入命令来引导计算机。实际上,很可能会使用 shell 执行恢复操作。表 1 提供了在此方面更可能有用的一些命令。GRUB 2 支持其他许多命令,您可以通过 GRUB 文档 了解它们。

表 1. 常见的 GRUB 2 命令行命令
命令选项解释
boot引导一个已定义的内核或链式装载程序。
catfilename显示指定的文件的内容。
configfilefilename加载指定的配置文件。
help[command]显示帮助 — 一个命令列表或有关指定命令的帮助。
initrdfilename加载指定的初始 RAM 磁盘文件。
insmodmodule_name加载指定的模块(驱动程序)。
linuxfilename加载指定的 Linux 内核。
ls[arg]列出设备或一个设备上的文件。
reboot重新引导计算机。
setenvvar=value将一个环境变量设置为等于某个值。

可能促使您使用 GRUB 命令行的一个问题是,GRUB 无法找到它自己的配置文件。重新安装 GRUB(如本文的 执行永久修复 一节中所述)是长期的解决方案。但是,与此同时,您可以发出一些命令来调出常规 GRUB 菜单并引导 Linux。首先,必须识别要安装 GRUB 的分区,这一点可借助 ls 命令来完成。如果在使用该命令时不带任何选项,ls 会显示 GRUB 可检测的磁盘和分区。然后您可以指定设备的名称和一个结尾斜杠 (/),以查看特定分区的内容,如清单 2 所示:

清单 2. 使用 ls 查看文件系统的设备或内容
grub> ls
(hd0) (hd0,gpt5) (hd0,gpt4) (hd0,gpt3) (hd0,gpt2) (hd0,gpt1)
grub> ls (hd0,gpt5)/
abi-3.2.0-22-generic grub/ initrd.img-3.2.0-22-generic
memtest86+bin System.map-3.2.0-22-generic vmcoreinfo-3.2.0-22-generic
vmlinuz-3.2.0-22-generic

清单 2 中的示例显示了一个具有单个磁盘 (hd0) 的计算机,该磁盘包含 5 个全局惟一标识符 (GUID) 分区表 (GPT) 分区。(hd0,gpt5) 的内容好像是一个 Linux /boot 分区,包含一个 GRUB 配置目录 (grub/)。您可能需要查看其他分区的内容,然后才能找到您的 Linux /boot 分区。如果您的系统未使用单独的 /boot 分区,则必须查找您的 Linux 引导 (/) 分区。

识别 GRUB 配置文件所在位置后,可以设置 prefixroot 环境变量,告诉 GRUB 在何处找到配置文件。这些变量分别识别 grub.cfg 所在的目录和它所在的分区:

grub> set prefix=(hd0,gpt5)/grub
grub> set root=(hd0,gpt5)

从这里,您可加载 normal 模块并启动它来调出 GRUB 菜单:

grub> insmod normal
grub> normal

使用 Super GRUB2 Disk

一个仅适用于 BIOS 的工具

Super GRUB2 Disk 是一个仅适用于 BIOS 的工具。如果您在 EFI 模式下正常引导,Super GRUB2 Disk 帮不上忙。EFI 模式引导不依赖于 MBR 或磁盘的引导扇区中存储的代码,这些代码区域(如果损坏)会使得 Super GRUB2 Disk 大有作为。对于 EFI 引导问题,您的固件的引导管理器或一个辅助程序(比如 rEFInd)可帮助您从损坏的 NVRAM 设置导致的问题中恢复。我还建议您备份 EFI 计算机的 ESP 中的文件,以防分区被损坏。因为 EFI 不依赖于隐藏的代码,所以您可使用一个简单的文件拷贝操作来还原 ESP。(内幕披露:我在维护 rEFInd。)

在某些情况下,GRUB 甚至未提供 grub> 提示符,您可能甚至在使用该提示符解决问题时遇到麻烦。在这些情况下,Super GRUB2 Disk 营救工具可提供帮助。

准备应对灾难

即使现在可以成功引导,我仍然建议您创建 Super GRUB2 Disk 的副本,以便在需要时直接使用它。Super GRUB2 DISK 下载 是一个具有 .iso 扩展名的混合镜像文件。可使用 dd 将此文件复制到软盘、CompactFlash (CF) 磁盘、通用串行总线 (USB) 闪存盘或者某种类型的磁盘中。也可以使用 cdrecord 或一个 GUI 光碟工具将该文件刻录到 CD-R 中。

创建引导介质后,我建议对它执行测试(理想情况下,在多个计算机上执行测试),以熟悉该工具并确认它在您使用的硬件上是否有效。

使用 Super GRUB2 Disk 进行引导

准备一个 Super GRUB2 Disk 后,您可像其他任何可引导磁盘一样引导它。在某些情况下,您可能需要在引导过程中按下某个键来更改引导顺序。常用的键包括 F2、F10 和 F12,您应该查阅计算机的手册,了解相关的详细信息。在执行 Super GRUB2 Disk 引导时,您会看到一个类似图 4 的显示屏幕,其中包括检测操作系统或启用各种类型的支持的选项:

图 4. 引导 Super GRUB2 Disk 时显示的 GRUB 菜单
Super GRUB2 Disk 引导之后显示的菜单的屏幕截图

如果您的计算机使用了独立磁盘冗余阵列 (RAID) 或逻辑卷管理 (Logical Volume Management, LVM),或者依赖于旧的并行 ATA (PATA) 磁盘或外部 USB 磁盘,那么您可能需要选择这些功能并按下 Enter 来激活它们。完成上述操作之后,您可以尝试检测选项。我发现 “Detect any GRUB2 configuration file (grub.cfg)” 和 “Detect any GRUB2 installation (even if the MBR is overwritten)” 选项一般最适合恢复损坏的 GRUB 安装。但是 “Detect any Operating System” 选项可能也值得一试。

如果检测成功,您应该看到一个新的 GRUB 选项菜单。在单操作系统安装中,此菜单可能仅包含一个选项,它使用路径来识别 GRUB 配置文件,就像 (hd0,gpt5)/grub/grub.cfg 中一样。在选中此选项时,应显示您的安装的正常 GRUB 屏幕。(字体和颜色可能不同,但菜单选项应该能够正常工作。)


执行永久修复

到目前为止,我介绍的修复都是永久性的。您可能已成功引导 Linux,但是,只要重新引导,就会看到原始的 GRUB 屏幕。要让您的更改永久生效,需要采取额外的步骤。

其中最简单的步骤是修改 GRUB 配置文件。尽管 可以直接编辑 grub.cfg 来修改您的设置,但此方法不可取,因为只要升级您的发行版提供的内核,自动化的脚本就可以从其他文件重新构建该文件。相反,您需要编辑 /etc/grub.d 中的文件和 /etc/default/grub 中的默认全局设置。然后可以使用 grub-mkconfig,从 Linux 命令提示符生成一个新的 grub.cfg 文件:

grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

如果您的问题是 GRUB 仅显示了一个 grub> 提示符或完全未启动,那么您必须将 GRUB 重新安装到您硬盘上:

grub-install /dev/sda

在某些情况下,您可能需要将 GRUB 安装到 /dev/sda 以外的设备,比如 /dev/sdb。一般不建议将 GRUB 2 安装到某个分区。如果将 GRUB 安装到一个基于 BIOS 的计算机上的 GPT 磁盘,请确保该计算机包含一个 BIOS 引导分区。没有该分区,GRUB 可能拒绝安装或者可能不可靠。如果您将 GRUB 安装到一个基于 EFI 的计算机,那么可以省略设备规范,确保您的 ESP 挂载在 /boot/efi 上。grub-install 自动将必要的文件复制到这个目录(进而布置到 ESP)。如果 GRUB 由于不当的 NVRAM 设置而未在基于 EFI 的计算机上启动,那么您可能可以在固件自身内修复这些问题,但不同实现的细节可能有所不同。如果可以在 EFI 模式下引导一个应急系统,那么可以使用 efibootmgr 还原您的引导装载程序:

efibootmgr -c -l \\EFI\\loaderdir\\loadername.efi -L MenuName

结束语

GRUB 2 是一个直接引导 Linux(和其他一些)操作系统内核的灵活工具。但是由于引导过程中的漏洞和 GRUB 自身的复杂性,可能会出现一些问题,导致系统无法引导。在这些情况下,知道如何编辑各个 GRUB 代码段、如何使用 GRUB 命令行和如何使用 Super GRUB2 Disk 都是宝贵的技能。通过使用这些技术,您可以从各种引导问题中恢复并引导到您的正常安装中。此时,您可以编辑 GRUB 2 配置文件或重新安装引导装载程序让修复永久生效。

参考资料

学习

  • GNU GRUB 手册:查阅官方的 GRUB 2 手册来访问有关 GRUB 2 引导装载程序的丰富信息。
  • 迁移到 GRUB 2”(Roderick W. Smith,developerWorks,2010 年 4 月):获取引导装载程序的一般背景信息和 GRUB 2 的概述。
  • PC/AT 引导过程:获取一般的 BIOS 引导过程的技术细节。
  • EFI 引导过程:获取一般的 EFI 引导过程的技术细节。
  • Super GRUB2 Disk:从项目网站了解 Super GRUB2 Disk 的更多信息。
  • rEFInd:了解 rEFInd 如何帮助您从一些类型的低级 EFI 引导问题中恢复。
  • developerWorks Linux 专区 中,查找数百篇 操作指引文章和教程,以及面向 Linux 开发人员和管理员的下载、讨论论坛和其他丰富资源。
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Zone=Linux, Open source
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