linux的initrd机制和initramfs机制之根文件挂载流程：代码分析【转】

转自：https://www.chinahadoop.cn/group/15/thread/1786

这一篇我们来讲解linux的initrd机制和initramfs机制之根文件挂载流程：代码分析，希望大家认真学习！

linux-2.6.30

kernel_init
    do_basic_setup();  // 批注1
    
    if (!ramdisk_execute_command) // 批注2
        ramdisk_execute_command = "/init";
    
    if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
        ramdisk_execute_command = NULL;
        prepare_namespace();  // 批注3
    }
    
    init_post();

批注1：所有直接编译在kernel中的模块都是由它启动的。这里有一个地方涉及到根文件系统的挂载
当配置了CONFIG_BLK_DEV_INITRD，在这里会调用函数populate_rootfs；
如果没有配置populate_rootfs，则会调用函数default_rootfs

批注2：ramdisk_execute_command值通过“rdinit=”指定，如果未指定，则采用默认的值/init。

批注3：检查根文件系统中是否存在文件ramdisk_execute_command，如果存在的话则执行init_post()，
否则执行prepare_namespace()挂载根文件系统。
 
先来说说上面批注1可能的两个函数 populate_rootfs和default_rootfs
 

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1. static int __init populate_rootfs(void)
2. {
3.     char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start, // 批注1
4.              __initramfs_end - __initramfs_start);
5.     if (err)
6.         panic(err);    /* Failed to decompress INTERNAL initramfs */
7.     if (initrd_start) { // 批注2
8. #ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
9.         int fd;
10.         printk(KERN_INFO "Trying to unpack rootfs image as initramfs... ");
11.         err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, // 批注3
12.             initrd_end - initrd_start);
13.         if (!err) {
14.             free_initrd();
15.             return 0;
16.         } else {
17.             clean_rootfs();
18.             unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
19.                  __initramfs_end - __initramfs_start);
20.         }
21.         printk(KERN_INFO "rootfs image is not initramfs (%s)"
22.                 "; looks like an initrd ", err);
23.         fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700); // 批注4
24.         if (fd >= 0) {
25.             sys_write(fd, (char *)initrd_start, // 批注5
26.                     initrd_end - initrd_start);
27.             sys_close(fd);
28.             free_initrd(); // 批注6
29.         }
30. #else
31.         printk(KERN_INFO "Unpacking initramfs... ");
32.         err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
33.             initrd_end - initrd_start);
34.         if (err)
35.             printk(KERN_EMERG "Initramfs unpacking failed: %s ", err);
36.         free_initrd();
37. #endif
38.     }
39.     return 0;
40. }

批注1：unpack_to_rootfs顾名思义，就是解压包到rootfs，其具有两个功能，一个是检测
是否是属于cpio包，另外一个就是解压cpio包，通过最后一个参数进行控制。1：检测，0：解压。
其实，Initramfs也是压缩过后的CPIO文件。initramfs位于地址__initramfs_start处，
是内核在编译过程中生成的，initramfs的是作为内核的一部分而存在的，不是 boot loader加载的。
（编译的时候通过连接脚本arch/arm/kernel/vmlinux.lds将其编译到__initramfs_start～__initramfs_end，
执行完unpack_to_rootfs后将被拷贝到根目录）。

批注2：判断是否加载了initrd，无论哪种格式的initrd，都会被bootloader加载到地址initrd_start处。 
 
批注3：判断加载的是不是CPIO-Initrd。

批注4：如果不是CPIO-Initrd，则就是Image-Initrd，将其内容保存到文件/initrd.image中。在根文件系统中创建文件/initrd.image。 
 
批注5：将内容保存到文件/initrd.image中

批注6：释放Initrd所占用的内存空间。
 
default_rootfs()主要往rootfs中生成两个目录/dev和/root以及一个设备文件/dev/console。

下面来继续看下面的函数：prepare_namespace
 

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1. void __init prepare_namespace(void)
2. {
3.     int is_floppy;
4.  
5.     if (root_delay) { // 批注1
6.         printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device... ",
7.          root_delay);
8.         ssleep(root_delay);
9.     }
10.  
11.     /*
12.      * wait for the known devices to complete their probing
13.      *
14.      * Note: this is a potential source of long boot delays.
15.      * For example, it is not atypical to wait 5 seconds here
16.      * for the touchpad of a laptop to initialize.
17.      */
18.     wait_for_device_probe(); // 批注2
19.  
20.     md_run_setup();
21.  
22.     if (saved_root_name[0]) { // 批注3
23.         root_device_name = saved_root_name;
24.         if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||
25.          !strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {
26.             mount_block_root(root_device_name, root_mountflags); // 批注4
27.             goto out;
28.         }
29.         ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name); // 批注5
30.         if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
31.             root_device_name += 5;
32.     }
33.  
34.     if (initrd_load()) // 批注6
35.         goto out;
36.  
37.     /* wait for any asynchronous scanning to complete */
38.     if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) { // 批注7
39.         printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s... ",
40.             saved_root_name);
41.         while (driver_probe_done() != 0 ||
42.             (ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)
43.             msleep(100);
44.         async_synchronize_full();
45.     }
46.  
47.     is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;
48.  
49.     if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
50.         ROOT_DEV = Root_RAM0;
51.  
52.     mount_root();
53. out:
54.     sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); // 批注8
55.     sys_chroot("."); // 批注9
56. }

批注1：对于将根文件系统存放到USB或者SCSI设备上的情况，Kernel需要等待这些耗费时间比较久的设备
驱动加载完毕，所以这里存在一个Delay。

批注2：等待根文件系统所在的设备探测函数的完成。 
 
批注3：参数saved_root_name存放的是uboot参数root=所指定的设备文件。

批注4：将saved_root_nam指定的设备加载。 
 
批注5：参数ROOT_DEV存放设备节点号。

批注6：挂载initrd，见下面的详解。 
 
批注7：如果指定mount_initrd为true，即没有指定在函数initrd_load中mount的话，则在这里重新realfs的mount操作。 
 
批注8：将挂载点从当前目录（实际当前的目录在mount_root中或者在mount_block_root中指定）移到根目录。
即是如/dev/mtdblock2。 
 
批注9：将当前目录当作系统的根目录，至此虚拟系统根目录文件系统切换到了实际的根目录文件系统。

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1. int __init initrd_load(void)
2. {
3.     if (mount_initrd) { // 批注1
4.         create_dev("/dev/ram", Root_RAM0); // 批注2
5.         /*
6.          * Load the initrd data into /dev/ram0. Execute it as initrd
7.          * unless /dev/ram0 is supposed to be our actual root device,
8.          * in that case the ram disk is just set up here, and gets
9.          * mounted in the normal path.
10.          */
11.         if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) { // 批注3
12.             sys_unlink("/initrd.image");
13.             handle_initrd(); // 批注4
14.             return 1;
15.         }
16.     }
17.     sys_unlink("/initrd.image");
18.     return 0;
19. }

批注1：可以通过Kernel的参数“noinitrd“来配置mount_initrd的值，默认为1，很少看到有项目区配置该值，
所以一般情况下，mount_initrd的值应该为1。

批注2：创建一个Root_RAM0的设备节点/dev/ram。 
 
批注3：如果根文件设备号不是Root_RAM0则程序就会执行代码就进入执行，如指定的/dev/mtdblock4设备节点
肯定就不是Root_RAM0。另外还将文件initrd.image释放到节点/dev/ram0，也就是对应image-initrd的操作。

批注4：函数handle_initrd主要功能是执行Initrd中的linuxrc文件，并且将realfs的根目录设置为当前
目录。其实前面也已经提到了，这些操作只对image-cpio的情况下才会去执行。。

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1. static void __init handle_initrd(void)
2. {
3.     int error;
4.     int pid;
5.  
6.     real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV); // 批注1
7.     create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0); // 批注2
8.     /* mount initrd on rootfs' /root */
9.     mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);
10.     sys_mkdir("/old", 0700); // 批注3
11.     root_fd = sys_open("/", 0, 0);
12.     old_fd = sys_open("/old", 0, 0);
13.     /* move initrd over / and chdir/chroot in initrd root */
14.     sys_chdir("/root"); // 批注4
15.     sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
16.     sys_chroot(".");
17.  
18.     /*
19.      * In case that a resume from disk is carried out by linuxrc or one of
20.      * its children, we need to tell the freezer not to wait for us.
21.      */
22.     current->flags |= PF_FREEZER_SKIP;
23.  
24.     pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD); // 批注5
25.     if (pid > 0)
26.         while (pid != sys_wait4(-1, NULL, 0, NULL))
27.             yield();
28.  
29.     current->flags &= ~PF_FREEZER_SKIP;
30.  
31.     /* move initrd to rootfs' /old */
32.     sys_fchdir(old_fd); // 批注6
33.     sys_mount("/", ".", NULL, MS_MOVE, NULL);
34.     /* switch root and cwd back to / of rootfs */
35.     sys_fchdir(root_fd);
36.     sys_chroot(".");
37.     sys_close(old_fd);
38.     sys_close(root_fd);
39.  
40.     if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) { // 批注7
41.         sys_chdir("/old");
42.         return;
43.     }
44.  
45.     ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev); // 批注8
46.     mount_root();
47.  
48.     printk(KERN_NOTICE "Trying to move old root to /initrd ... ");
49.     error = sys_mount("/old", "/root/initrd", NULL, MS_MOVE, NULL);
50.     if (!error)
51.         printk("okay ");
52.     else {
53.         int fd = sys_open("/dev/root.old", O_RDWR, 0);
54.         if (error == -ENOENT)
55.             printk("/initrd does not exist. Ignored. ");
56.         else
57.             printk("failed ");
58.         printk(KERN_NOTICE "Unmounting old root ");
59.         sys_umount("/old", MNT_DETACH);
60.         printk(KERN_NOTICE "Trying to free ramdisk memory ... ");
61.         if (fd < 0) {
62.             error = fd;
63.         } else {
64.             error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0);
65.             sys_close(fd);
66.         }
67.         printk(!error ? "okay " : "failed ");
68.     }
69. }

批注1：real_root_dev为一个全局变量，用来保存realfs的设备号。


批注2：调用mount_block_root将realfs加载到VFS的/root下。 
 
批注3：提取rootfs的根文件描述符并将其保存到root_fd，资料中提及其用处就是在后续调用
sys_chroot到initrd的文件系统后，处理完init请求后，还能够再次切回到rootfs。


批注4：sys_chroot到initrd文件系统，前面已经挂载initrd到VFS的root目录下。 
 
批注5：执行initrd中的linuxrc，并等待执行结束。


批注6：initrd执行结束后，切回到rootfs。 
 
批注7：如果real_root_dev直接配置为Root_RAM0，也即直接使用直接使用initrd作为realfs，
改变当前目录到initrd中，并直接返回。 
 
批注8：执行完Linuxrc后，realfs已经确定，则调用mount_root将realfs挂载到VFS的/root目录下，
并将当前的目录配置为VFS的/root。 


再回过头来再看上面提到的init_post，该函数实际上是在Kernel_init中最后执行的函数

static noinline int init_post(void)
__releases(kernel_lock)

    if (ramdisk_execute_command)
    
    if (execute_command)
    
    run_init_process("/sbin/init");
    run_init_process("/etc/init");
    run_init_process("/bin/init");
    run_init_process("/bin/sh");

可以看到，在该函数的最后，以此会去搜索文件并执行ramdisk_execute_command、execute_command、/sbin/init、
/etc/init、/bin/init和/bin/sh，如果发现这些文件均不存在的话，则通过panic输出错误命令，并将当前的系统Halt在那里


大概总结一下流程：
内核会先创建一个基于内存的虚拟文件系统rootfs（和用什么机制无关）；
根据采用的机制来挂载虚拟
文件系统，完成挂载真正文件系统前的工作；
挂载真正的文件系统；
执行最初的应用程序。