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デジタル創作サークルUniProject

【FreeBSD】ブートプロセスを完全理解する - 電源ONからログインまで

Posted at 2025-12-25

はじめに

PCの電源を入れてからログイン画面が出るまで、何が起きてるか知ってる？

FreeBSDのブートプロセスを完全に理解しよう。

ブートプロセス全体像

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  FreeBSD Boot Process                        │
│                                                              │
│  1. BIOS/UEFI                                               │
│       ↓                                                      │
│  2. Boot Manager (boot0 / UEFI Boot Manager)                │
│       ↓                                                      │
│  3. Boot Loader (boot2 / loader.efi)                        │
│       ↓                                                      │
│  4. Kernel (kernel)                                         │
│       ↓                                                      │
│  5. Init (/sbin/init)                                       │
│       ↓                                                      │
│  6. rc scripts (/etc/rc.*)                                  │
│       ↓                                                      │
│  7. Login (getty → login)                                   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

1. BIOS/UEFI

BIOS（レガシー）

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  MBR (Master Boot Record) - 512 bytes                       │
│  ┌────────────────────────────────────────┬──────────────┐  │
│  │        Boot Code (446 bytes)           │ Part Table   │  │
│  │        boot0                           │ (64 bytes)   │  │
│  └────────────────────────────────────────┴──────────────┘  │
│                                              │ 0x55AA (2)│  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

BIOSはMBRの先頭446バイトを実行する。

UEFI

EFI System Partition (ESP)
/EFI/
└── BOOT/
    └── BOOTx64.efi  ← UEFIが実行
/EFI/
└── FreeBSD/
    └── loader.efi   ← FreeBSDブートローダー

UEFIは直接EFIアプリケーション（.efi）を実行できる。

2. Boot Manager (boot0)

BIOS環境

# MBRにboot0をインストール
gpart bootcode -b /boot/boot0 ada0

boot0の画面：

F1 FreeBSD
F2 Windows
F5 Chainload Drive 1

Default: F1

複数OS選択が可能。

UEFI環境

UEFIのブートマネージャーが直接OS選択を担当。

# EFI変数を確認
efibootmgr -v
# Boot0001* FreeBSD   HD(1,GPT,...)/File(\EFI\FREEBSD\LOADER.EFI)
# Boot0002* Windows   HD(2,GPT,...)/File(\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi)

3. Boot Loader

BIOS: boot2 → loader

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  パーティションブートセクタ                                  │
│  ┌──────────────┐                                           │
│  │    boot1     │ (512 bytes) UFS/ZFSを認識                 │
│  └──────────────┘                                           │
│          ↓                                                   │
│  ┌──────────────┐                                           │
│  │    boot2     │ ファイルシステムから/boot/loaderを読む    │
│  └──────────────┘                                           │
│          ↓                                                   │
│  ┌──────────────┐                                           │
│  │   loader     │ フル機能のブートローダー                  │
│  └──────────────┘                                           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

UEFI: loader.efi

ls /boot/efi/EFI/FreeBSD/
# loader.efi

loaderの機能

 /boot/loader.conf (press Enter for defaults)
      or any other key to proceed to loader prompt:

 ____  ____  ____  ____  ____    ____
||F ||||r ||||e ||||e ||||B ||||S ||
||__||||__||||__||||__||||__||||D ||
|/__\||/__\||/__\||/__\||/__\||/__\|

 Welcome to FreeBSD!

 1. Boot Multi user [Enter]
 2. Boot Single user
 3. Escape to loader prompt
 4. Reboot
 5. Kernel: kernel (1 of 2)

 Options:
 6. Configure Boot Options...

loaderプロンプト

Type '?' for a list of commands, 'help' for more detailed help.
OK ?
Available commands:
  autoboot      bcachestat    boot          chain
  efi-autoresectconsole      echo          heap
  help          include       load          lsdev
  ...

OK show
...

OK set kern.hz=1000
OK boot

4. カーネル起動

loader.conf

# /boot/loader.conf
kernel="kernel"               # デフォルトカーネル
# kernel="kernel.old"         # 古いカーネル

# モジュールの自動ロード
if_em_load="YES"
zfs_load="YES"
dtrace_load="YES"

# カーネルパラメータ
kern.hz="1000"
debug.debugger_on_panic="1"

# コンソール設定
boot_serial="YES"
comconsole_speed="115200"

カーネルの初期化フロー

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                Kernel Initialization                         │
│                                                              │
│  1. locore.S (アセンブリ)                                   │
│     - CPU初期化、ページテーブル設定                         │
│         ↓                                                    │
│  2. init_main.c :: mi_startup()                             │
│     - SYSINIT() で登録された初期化関数を順番に実行          │
│         ↓                                                    │
│  3. 各サブシステム初期化                                    │
│     - SI_SUB_COPYRIGHT: 著作権表示                          │
│     - SI_SUB_VM: 仮想メモリ                                 │
│     - SI_SUB_KMEM: カーネルメモリアロケータ                 │
│     - SI_SUB_CPU: CPU                                       │
│     - SI_SUB_DEVFS: デバイスファイルシステム                │
│     - SI_SUB_DRIVERS: デバイスドライバ                      │
│     - SI_SUB_CONFIGURE: autoconfiguration                   │
│         ↓                                                    │
│  4. SI_SUB_RUN_SCHEDULER: スケジューラ開始                  │
│         ↓                                                    │
│  5. create_init() → /sbin/init を exec                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

起動メッセージ

FreeBSD 14.2-RELEASE #0 releng/14.2-n269506-c8918d6c7412: Fri Nov  8 11:24:11 UTC 2024
    root@releng2.nyi.freebsd.org:/usr/obj/usr/src/amd64.amd64/sys/GENERIC amd64
FreeBSD clance program.
CPU: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2680 v4 @ 2.40GHz (2400.10-MHz K8-class CPU)
  Origin="GenuineIntel"  Id=0x406f1  Family=0x6  Model=0x4f  Stepping=1
  ...
real memory  = 68719476736 (65536 MB)
avail memory = 66430898176 (63353 MB)
...
Mounting from zfs:zroot/ROOT/default...
...

5. Init

カーネルが最初に起動するユーザープロセスは/sbin/init（PID 1）。

ps aux | head -2
# USER  PID  %CPU %MEM    VSZ   RSS TT  STAT STARTED    TIME COMMAND
# root    1   0.0  0.0  10852  1388  -  ILs  Dec01   0:00.06 /sbin/init

initの役割

/etc/rcスクリプトを実行
シングルユーザーモードかマルチユーザーモードを判断
マルチユーザーモードなら/etc/ttysに従ってgettyを起動
シグナルを監視（再起動など）

6. rc スクリプト

/etc/rc

#!/bin/sh
# $FreeBSD$

# System startup script run by init(8) on autoboot
# or after single-user.

stty status '^T'
trap : 2
trap "echo 'Boot interrupted'; exit 1" 3

HOME=/
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
export HOME PATH

. /etc/rc.subr
load_rc_config ''

# ... 続く

起動順序

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 rc Script Execution                          │
│                                                              │
│  /etc/rc                                                    │
│      ↓                                                       │
│  /etc/rc.d/ (ベースシステムのスクリプト)                    │
│    REQUIRE/BEFORE で依存関係を解決して順番に実行            │
│      ↓                                                       │
│  /usr/local/etc/rc.d/ (pkg でインストールされたもの)        │
│      ↓                                                       │
│  /etc/rc.local (あれば)                                     │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

rcスクリプトの例

cat /etc/rc.d/sshd

#!/bin/sh
#
# PROVIDE: sshd
# REQUIRE: LOGIN FILESYSTEMS
# KEYWORD: shutdown
#

. /etc/rc.subr

name="sshd"
rcvar="sshd_enable"
command="/usr/sbin/sshd"
keygen_cmd="sshd_keygen"
start_precmd="sshd_precmd"
reload_precmd="sshd_configtest"
restart_precmd="sshd_configtest"
...

PROVIDE/REQUIRE/BEFOREで依存関係を定義。

rcの操作

# サービス一覧
service -l

# 有効なサービス一覧
service -e

# サービス制御
service sshd start
service sshd stop
service sshd restart
service sshd status

# 自動起動設定
sysrc sshd_enable="YES"

7. Login (getty → login)

/etc/ttys

cat /etc/ttys

# name  getty                           type    status  comments
#
console none                            unknown off     secure
#
ttyv0   "/usr/libexec/getty Pc"         xterm   onifexists secure
ttyv1   "/usr/libexec/getty Pc"         xterm   onifexists secure
ttyv2   "/usr/libexec/getty Pc"         xterm   onifexists secure
...
ttyu0   "/usr/libexec/getty 3wire"      vt100   onifconsole secure

ログインの流れ

init
  ↓ fork
getty (ttyv0)
  ↓ login: プロンプトを表示
  ↓ ユーザー名入力
exec login
  ↓ Password: プロンプトを表示
  ↓ 認証成功
exec shell (/bin/sh 等)

ブートの問題解決

シングルユーザーモードで起動

ブートメニューで "2. Boot Single user" を選択。

Enter full pathname of shell or RETURN for /bin/sh:
# (Enter)
# mount -u /
# mount -a
# (修復作業)
# exit

ブートローダープロンプト

OK boot -s          # シングルユーザー
OK boot kernel.old  # 古いカーネルで起動
OK unload           # 全モジュールをアンロード
OK load kernel      # カーネルをロード
OK boot             # 起動

起動しない時のチェックリスト

カーネルパニック: kernel.oldで起動
fsckエラー: シングルユーザーでfsck -y
rc.confのミス: シングルユーザーで修正
デバイスが見つからない: loader.confでモジュールをロード

まとめ

FreeBSDのブートプロセス：

BIOS/UEFI: ハードウェア初期化
boot0/EFI: ブートマネージャー
loader: 柔軟なブートローダー
kernel: OS本体
init: 最初のプロセス
rc: サービス起動
getty/login: ユーザーログイン

loader.confとrc.confを理解すれば、ブートのカスタマイズは自由自在。

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