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3.5 安装双系统（后安装 FreeBSD）

本节研究在已预装 Windows 等操作系统的 UEFI 环境下，部署 FreeBSD 作为第二操作系统的技术方案，重点解决多系统共存与引导配置问题，为已部署其他操作系统的用户提供可行的迁移路径。

本文以 FreeBSD-14.2-RELEASE-amd64-disc1.iso 为例，演示了如何在 UEFI 环境下，安装 FreeBSD 14.2 RELEASE 与 Windows 11 24H2 双系统，具有典型的参考价值。

技巧

本文示例要求先安装其他操作系统（如 Windows），再安装 FreeBSD，请遵循此操作顺序。

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简单方法（无需众多数据集）

首先介绍一种相对简单的安装方法。

注意

以此部分所述方法，在使用 ZFS 时，只会创建一个名为 zroot 的存储池（zpool），并在其中创建一个直接挂载到 / 的名为 root 的数据集。不会像自动安装那样创建 zroot/ROOT/default 以及众多的数据集。你可以在安装后创建数据集并进行替换操作，但若希望初始布局就与自动安装相同，请跳转至本节“Shell 分区”部分。

使用简单方法安装 FreeBSD，按照以下步骤进行操作。

首先需要在硬盘上为 FreeBSD 预留空间。该空间不一定位于硬盘末尾，中间位置亦可，因为在典型的 Windows 安装中，最后一个分区（本例为 nda0p4）通常是恢复分区，不适合用来安装系统。

分区完成后，在 FreeBSD 下查看磁盘分区情况，结果如下：

# gpart show
=>       34  419430333  nda0  GPT  (200G)
         34       2014        - free -  (1.0M)
       2048     204800     1  efi  (100M) # EFI 分区
     206848      32768     2  ms-reserved  (16M) # MSR 分区
     239616  207992832     3  ms-basic-data  (99G) # 此为 C 盘（NTFS 数据分区）。此处已为其后的 FreeBSD 预留了约 100G 空间。
  417947648    1478656     4  ms-recovery  (722M) # 恢复分区
  419426304       4063        - free -  (100G)

你应关闭安全启动和快速启动。安全启动会阻止未签名的引导加载程序运行，而 FreeBSD 的启动加载程序目前未被微软签名，因此必须关闭。快速启动会让 Windows 在关机时处于一种特殊的休眠状态，导致其他系统无法正常访问 NTFS 分区。或者，也可通过 Windows 设置 → 更新与安全 → 恢复 → 高级启动，选择从 U 盘设备启动。然后正常引导 FreeBSD 安装程序，直至进入分区选择界面。

分区选择界面

此处选择 Manual。

技巧

其实这里调用的是软件 sade（sysadmins disk editor，系统管理员磁盘编辑器），bsdconfig 中的分区模块亦调用此工具。

此处可查看硬盘分区情况。图中仅有一块硬盘，包含一个 300 M 的 EFI 系统分区、一个 16 M 的 MSR 分区、一个 64 G 的 Windows 系统分区（即 C 盘）以及未显示的空闲空间。直接选择 Create（创建）。

硬盘分区情况

此处在第一行输入分区类型（即下方会列出的 Filesystem type）。如需添加 swap 分区，请在此步骤首先添加，后添加难以控制分区大小，因为分区会从空闲空间的开头或结尾分配，先添加 swap 可以更好地控制其位置。在添加 UFS 或 ZFS 分区时，需在 Mountpoint 处填写 /，表示将该分区挂载到根目录。Label 是 FreeBSD 的卷标（gptlabel），用于方便识别分区，可根据需要填写或留空。此处使用 ZFS，不添加 swap 分区，并且填入卷标 zroot。

创建分区

使用 Tab 键 将焦点移动到 OK，然后按回车键确认。

确认分区创建

此处会警告 ZFS 分区可能无法启动，但经实测可以正常启动。这个警告是安装程序的通用提示，对于 UEFI 环境下的配置并不适用。选择 Yes 忽略此警告：

ZFS 分区警告

注意

请将 Windows 创建的 300 M EFI 系统分区的挂载点设置为 /boot/efi，这样 FreeBSD 就能正确找到并使用已有的 EFI 分区，避免创建多个 EFI 分区带来的混乱。

选择 Finish（完成）

完成分区设置

选择 Commit（确认）

确认分区变更

之后会进入正常安装流程。安装完成后，列出系统中所有 ZFS 池及其状态：

进入系统后可以看到，仅有一个 root 数据集。可以手动将数据集改为自动安装的样子，亦可参照下文在安装时进入 shell 进行分区。

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Shell 分区

仍停留在分区选择界面，此时选择 Shell

选择 Shell 分区

之后将进入终端（TTY）：

Shell 终端界面

执行以下命令。

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加载 ZFS 内核模块

默认的安装镜像可能未启用 ZFS，让我们现在就加载 ZFS 内核模块，因为 ZFS 支持并不在内核中，而是作为可加载模块提供：

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配置 ZFS 对齐方式（仅影响新创建的硬盘分区）

强制 ZFS 文件系统使用 4 K 对齐，这样可以更好地适配现代硬盘的物理扇区大小，提高读写性能：

技巧

参数 12 表示 2^12 = 4096 字节（4 KB）的扇区大小。默认参数（可通过命令 sysctl vfs.zfs.vdev.min_auto_ashift 查看）是 9，即 2^9 = 512 字节，这是传统硬盘的扇区大小。

思考题

若使用 NVMe 硬盘，新装系统（UEFI+GPT，无 freebsd-boot 分区）的默认参数通常为 12。但 4 K 对齐究竟对齐的是什么？因为 SSD 并无传统机械硬盘的物理扇区概念。

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创建交换分区

在 nda0 磁盘上创建 4 GB、4 K 对齐的 FreeBSD 交换分区，并将其标记为 swap：

选项说明：

  • -t 指定类型

  • -l 指定卷标

  • -s 指定大小

  • -a 指定对齐

请注意根据实际情况替换 nda0 为实际硬盘编号。

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创建 ZFS 分区

在 nda0 磁盘上创建 4 K 对齐的 FreeBSD ZFS 分区，并标记为 zroot：

上面的设置将使用全部空余空间，请注意替换 nda0 为实际硬盘编号。

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查看分区情况

显示系统磁盘分区情况：

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挂载临时文件系统准备安装

挂载一个临时文件系统（tmpfs），这样可以在内存中临时存储安装过程中需要的文件，避免频繁写入磁盘：

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创建 ZFS 池

创建 ZFS 池 zroot：

该命令将设置 zroot 池的挂载点为 /mnt，启用 LZ4 压缩以节省空间并提高读写性能，关闭访问时间记录以减少磁盘写入。

选项说明如下：

  • -o altroot=/mnt 将其临时挂载至 /mnt；

  • -O compress=lz4 启用 lz4 压缩（可换为 zstd 等）；

  • -O atime=off 关闭访问时间记录；

  • -m none 不设置挂载点；

  • /dev/gpt/zroot 为刚创建的分区。

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创建 ZFS 数据集

以下数据集的设置参照 FreeBSD 源代码中的 usr.sbin/bsdinstall/scripts/zfsbootarrow-up-right 进行创建，因为 FreeBSD 本身的开发是持续不断的，所以 FreeBSD 不同版本间的 ZFS 数据集也有所差异。读者在创建数据集时若希望创建与默认安装相同的数据集结构，应参照对应分支的 usr.sbin/bsdinstall/scripts/zfsboot 文件。

  • 创建根数据集

将创建数据集 zroot/ROOT，不设置挂载点（mountpoint=none）。

此类无具体挂载点的数据集通常作为系统根数据集的容器，其下将创建具体用于挂载的子数据集或起到排除作用。

  • 创建默认根数据集

将创建数据集 zroot/ROOT/default，将其挂载到根目录 /。此数据集将作为系统的默认根文件系统。

  • 创建 /home 数据集

将创建数据集 zroot/home，并将其挂载到 /home，通常用于存储用户主目录。

  • 创建 /tmp 数据集

创建数据集 zroot/tmp，并将其挂载到 /tmp，允许执行文件（exec=on），但禁用 setuid（setuid=off）防止该目录中的文件使用 setuid 提升权限。

  • 创建 zroot/usr 数据集

将创建 zroot/usr 数据集，canmount 即禁止自动挂载，这样可以将相关的子数据集组织在一起，但不会单独挂载这个父数据集。

  • 创建 /usr/ports 数据集

将创建 /usr/ports 数据集，禁用 setuid（setuid=off）。

  • 创建 /usr/src 数据集

将创建 /usr/src 数据集。

  • 创建 /var 数据集

将创建 /var 数据集，canmount 意味着不会自动挂载。

  • 创建 /var/audit 数据集

将创建 /var/audit 数据集，禁用执行（exec=off），同时禁用 setuid（setuid=off）。

  • 创建 /var/crash 数据集

将创建 /var/crash 数据集，禁用执行（exec=off），同时禁用 setuid（setuid=off）。

  • 创建 /var/log 数据集

将创建 /var/log 数据集，禁用执行（exec=off），同时禁用 setuid（setuid=off）。

  • 创建 /var/tmp 数据集

将创建 /var/tmp 数据集，同时禁用 setuid（setuid=off）。

  • 创建 /var/mail 数据集

将创建 zroot/var/mail 数据集，并启用访问时间记录（atime=on），通常用于存放邮件数据，因为邮件程序可能需要知道文件的最后访问时间。

技巧

上述参数参考自 bsdinstall(8)arrow-up-right 的默认配置。安装后，也可通过命令 zfs get exec,setuid,mountpoint 查看相关属性。具体代码位于 usr.sbin/bsdinstall/scripts/zfsbootarrow-up-right。

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修改文件夹权限

将 /mnt/tmp 和 /mnt/var/tmp 的权限设置为 1777（粘滞位），以确保临时目录权限正确，这样任何用户都可以在这些目录中创建文件，但只能删除自己创建的文件：

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配置交换分区到 fstab

将交换分区 /dev/nda0p5 添加到临时的 fstab 文件，这样系统启动时就能自动挂载这个交换分区：

注意将 /dev/nda0p5 替换为实际的交换分区设备名，可使用 gpart show nda0 命令进行确认。

技巧

\t 是制表符（Tab）的转义字符（意味着按了一下 TAB 键），用于对齐字段，使用空格亦可达到相同效果。也可使用 ee /tmp/bsdinstall_etc/fstab 命令手动编辑该文件并写入如下格式的行：

下同。

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设置启动项与 UEFI

  • 设置 ZFS 池的引导文件系统（bootfs）为 zroot/ROOT/default，这样系统启动时会自动从这个数据集引导：

  • 要求系统在启动时启用 ZFS 服务。

\n 代表 Unix/Linux 系统中的换行符。

Windows 文本文件的行尾通常是 \r\n（回车 + 换行）。

此命令效果等同于使用 ee /tmp/bsdinstall_etc/rc.conf 编辑该文件并添加一行 zfs_enable="YES"。

  • 挂载现有的 EFI 系统分区，这样便可以在其中添加 FreeBSD 的启动文件：

注意将 /dev/nda0p1 替换为实际的 EFI 分区设备名。

  • 在 EFI 系统分区中为 FreeBSD 创建启动目录

  • 将 FreeBSD 的 EFI 启动文件复制到启动目录

  • 使用 efibootmgr 工具向主板 UEFI 固件添加启动项 FreeBSD，这样在开机时就能在 UEFI 启动菜单中看到 FreeBSD 选项。

  • 卸载 EFI 系统分区

目录结构：

  • 退出 Shell

安装程序将自动继续后续流程。

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完成

至此，我们已手动创建了一套与自动安装程序基本相同的 ZFS 数据集结构（自动安装通常还会创建独立的 /home/用户名 数据集，此处未包含）。

显示安装后系统的 ZFS 文件系统状态：

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参考文献

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课后习题

  1. 查找 FreeBSD 14.2 源代码中的 /usr/src/usr.sbin/bsdinstall/scripts/zfsboot 脚本，在测试环境中执行简单方法安装后，参照该脚本手动补全 /home/用户名 数据集的创建并验证用户登录后的主目录挂载。

  2. 选取文中 ZFS 数据集的权限隔离机制（如 /tmp 目录的 exec=on 和 setuid=off 组合），分析该设计如何在“使用便利性”与“安全性”之间做权衡，尝试修改其中一个参数并观察系统行为变化。

  3. 修改 EFI 启动项配置，为 FreeBSD 启动项设置较低的启动优先级，验证 Windows 作为默认启动系统的行为。

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