深入理解Linux内核镜像、模块与启动过程

当谈论 Linux 内核时，我们常常被一堆名词绕得云里雾里：vmlinux、bzImage、vmlinuz、initrd、initramfs、内核模块…… 它们名称相似，却在系统启动的宏大交响乐中扮演着各自不可或不可缺的角色。

它们之间究竟是何关系？为什么一个简单的启动过程需要如此多的文件参与？

本文将为你系统性地梳理这些核心概念，从内核编译的产物出发，一步步带你走过从 Bootloader 加载到用户空间程序运行的完整链条，让你彻底厘清 Linux 的启动脉络。

一、内核的心脏：镜像的演化与形态

一切故事的起点，都源于内核编译的最终产物。当我们执行 make 编译内核时，最核心、最原始的文件只有一个：

• vmlinux：一个未经压缩、包含了调试符号表和地址信息的 ELF 格式可执行文件。

你可以把它理解为内核的“源码编译出的最完整形态”。然而，它体积庞大，且不包含用于引导自身的代码，因此不能被 Bootloader 直接加载启动。它的主要用途是进行内核调试（如使用 GDB 分析内核 crash 后的 vmcore 文件）和地址转换（addr2line）。

既然 vmlinux 无法直接启动，那么我们日常使用的可引导内核又是如何而来的呢？答案是：压缩与封装。

为了适应早期引导器有限的加载能力和加快启动速度，vmlinux 需要被“瘦身”和“打包”。

1️⃣ 各类镜像文件辨析

2️⃣ 文件之间的生成关系

整个演化路径清晰明了：

vmlinux ➡️ (压缩) ➡️ zImage / bzImage ➡️ (封装) ➡️ vmlinuz / uImage

简而言之：

1. 编译：源代码生成了原始的 vmlinux。
2. 压缩：vmlinux 被压缩工具处理，并附加上一段自解压代码，形成了 bzImage 或 zImage。这使得内核在被加载到内存后，能做的第一件事就是“自我解压”。
3. 封装：为了适配特定的 Bootloader（如 U-Boot）或遵循发行版的命名规范，bzImage 等文件被重命名或加上一个头部，变成了 uImage 或 vmlinuz。

3️⃣ 示例命令

# 1. 编译生成最原始的 vmlinux
make vmlinux

# 2. 从 vmlinux 生成可启动的 bzImage (x86 平台)
make bzImage

# 3. (嵌入式) 为 U-Boot 引导器制作 uImage
#    这个命令会给 zImage 加上一个 U-Boot 识别的头部
mkimage -A arm -O linux -T kernel -C none \
        -a 0x80008000 -e 0x80008000 \
        -n "Linux Kernel" \
        -d zImage uImage

二、内核的延伸：内核模块 (Kernel Modules)

如果把内核镜像比作一个操作系统的“主程序”，那么内核模块就是它的“插件 (Plugins)”或“DLC (可下载内容)”。

早期的内核是单体 (Monolithic) 的，所有驱动和功能都必须编译进内核镜像本体。这导致内核镜像异常臃肿，且每次增删硬件驱动都需要重新编译整个内核。

为了解决这个问题，内核模块应运而生。

1️⃣ 模块是什么？

内核模块（文件扩展名为 .ko，Kernel Object）是独立编译的内核组件，可在系统运行时被动态地加载或卸载，以扩展内核功能。常见的模块包括：

• 硬件驱动：网卡、显卡、USB 控制器等。
• 文件系统驱动：EXT4, XFS, Btrfs, NFS 等。
• 网络协议、加密算法等。

这种机制极大地增强了 Linux 的灵活性和可维护性。

2️⃣ 模块的家：目录结构

编译安装内核后，所有模块都会被存放在 /lib/modules/<kernel-version>/ 目录下，结构清晰：

/lib/modules/5.15.0-generic/
├── kernel/
│   ├── drivers/      # 存放所有驱动模块
│   ├── fs/           # 文件系统模块
│   ├── net/          # 网络相关模块
│   └── ...
├── modules.dep       # 模块依赖关系数据库
├── modules.alias     # 模块别名，用于设备热插拔
├── modules.symbols   # 模块导出的符号表
└── build -> /usr/src/linux-headers-5.15.0-generic/

3️⃣ 常用命令

思考一下：内核和模块的分离带来了巨大的灵活性，但也引出了一个经典的“鸡生蛋，蛋生鸡”问题：

如果我的根文件系统（/）存放在一块 SATA 硬盘上，而 SATA 驱动是一个内核模块，那么内核在启动初期是如何加载这个模块来访问根文件系统的呢？毕竟，模块文件本身就存放在根文件系统里！

这个问题的答案，正是下一节的主角。

三、启动的桥梁：initrd 与 initramfs

为了解决上一节提出的“鸡生蛋”问题，Linux 需要一个临时的根文件系统 (Temporary Root Filesystem)。这个临时环境存在于内存中，包含了挂载真实根文件系统所必需的驱动模块和工具。

这个临时环境，就是 initrd 或 initramfs。

1️⃣ initrd (Initial RAM Disk) - 昔日之星

• 形式：一个块设备镜像，通常采用 ext2 或 cramfs 文件系统格式。
• 工作流程：
  1. Bootloader 将内核和 initrd.img 文件加载到内存。
  2. 内核启动后，将这块内存区域虚拟成一个磁盘设备（如 /dev/ram0）。
  3. 内核将 /dev/ram0 挂载为临时根目录。
  4. 执行临时根目录中的 /linuxrc 脚本，该脚本负责加载真实硬盘的驱动模块（如 ahci.ko）。
  5. 驱动加载后，挂载真实的根文件系统，并切换过去。

2️⃣ initramfs (Initial RAM Filesystem) - 当代标准

• 形式：一个 cpio 归档文件，经过 gzip 或 lz4 压缩。
• 工作流程：
  1. Bootloader 将内核和 initramfs.cpio.gz 文件加载到内存。
  2. 内核启动后，在内存中创建一个特殊的 tmpfs 文件系统。
  3. 内核将 initramfs.cpio.gz 的内容直接解压到这个 tmpfs 中作为临时根。
  4. 执行临时根目录中的 /init 脚本，其功能与 /linuxrc 类似。
  5. 挂载真实根文件系统并切换。

3️⃣ initrd vs initramfs 对比

📦 特别注意： 现代 Linux 发行版（如 Ubuntu, CentOS）在 /boot 目录下依然使用 initrd.img-<version> 这样的文件名。这只是一个历史遗留的命名习惯，其内容实际上是 initramfs 格式的！ 你可以使用 lsinitramfs 命令来验证。

四、启动流程图：一场从硬件到桌面的接力赛

现在，我们已经集齐了所有关键组件。让我们将它们串联起来，绘制一幅完整的 Linux 启动流程图。

启动过程概述：

1. 阶段 1：Bootloader

   • BIOS/UEFI 完成硬件自检后，加载并执行硬盘主引导记录 (MBR) 或 EFI 分区中的 Bootloader（如 GRUB）。
   • GRUB 读取其配置文件（grub.cfg），将内核镜像 (vmlinuz-*) 和 initramfs 文件 (initrd.img-*) 加载到指定内存地址。
   • 将控制权移交给内核。

2. 阶段 2：内核初始化

   • 内核首先执行自解压代码，将压缩的自身还原到内存中。
   • 执行 start_kernel() 函数，进行一系列底层初始化（内存管理、进程调度、中断处理等）。
   • 将 Bootloader 加载的 initramfs 数据解压到内存 tmpfs 中，并将其挂载为临时根文件系统。

3. 阶段 3：Initramfs 阶段

   • 内核执行临时根中的 /init 脚本。
   • 该脚本通过 modprobe 加载访问真实根文件系统所需的关键驱动模块（例如 ahci 用于 SATA 盘，nvme 用于 NVMe SSD）。
   • 挂载真实的根文件系统到一个临时挂载点（如 /mnt）。
   • 通过 switch_root 命令，将系统的根目录从内存中的 initramfs 切换到真实的硬盘分区上，并执行新的 /sbin/init 程序。

4. 阶段 4：用户空间初始化

   • 系统的控制权现在完全交给了用户空间的第一个进程 /sbin/init（在现代系统中通常是 systemd）。
   • systemd 根据其配置单元（unit files）按部就班地启动所有系统服务，如网络管理、日志服务、登录管理器等。
   • 最终，系统进入预设的运行级别，呈现出用户登录界面或命令行提示符。

五、全景图：一张表看懂所有组件

六、一句话总结

Linux 内核镜像是启动的核心，initramfs 是它踏入真实世界前的“序章”，而内核模块则是它在运行时不断扩展能力的“军火库”。它们共同构成了从 Bootloader 到用户空间完整而精妙的启动生态。

✨ 七、延伸阅读

• 书籍：《Linux 内核设计与实现》 — Robert Love
• 源码：init/main.c -> start_kernel() 函数，这是内核初始化的起点。
• 实用命令：
  • file /boot/vmlinuz-*：查看内核镜像的真实类型。
  • lsinitramfs /boot/initrd.img-*：列出 initramfs 文件中的内容。
  • modinfo <module_name>：深入了解一个内核模块。