用户名: 密码: 忘记密码? 注册

(转)Linux内核Ramdisk(initrd)机制

作者:  时间: 2010-10-19
2010-05-11 14:15
转载自 ashengsheng
最终编辑 eastream

initrd 和 initramfs在内核中的处理
临时的根目录rootfs的挂载
initrd的解压缩
老式的initrd的处理
cpio格式的initrd的处理
initrd实例分析

在早期的Linux系统中,一般就只有软盘或者硬盘被用来作为Linux的根文件系统,因此很容易把这些设备的驱动程序集成到内核中。但是现在根文 件系统可能保存在各种存储设备上,包括SCSI, SATA, U盘等等。因此把这些设备驱动程序全部编译到内核中显得不太方便。在Linux内核模块自动加载机制的介绍中,我们看到利用udevd可以实现实现内核模 块的自动加载,因此我们希望根文件系统的设备驱动程序也能够实现自动加载。但是这里有一个矛盾,udevd是一个可执行文件,在根文件系统被挂载前,是不 可能执行udevd的,但是如果udevd没有启动,那就无法自动加载根根据系统设备的驱动程序,同时也无法在/dev目录下建立相应的设备节点。为了解 决这个矛盾,于是出现了initrd(boot loader initialized RAM disk)。initrd是一个被压缩过的小型根目录,这个目录中包含了启动阶段中必须的驱动模块,可执行文件和启动脚本。包括上面提到的udevd,当 系统启动的时候,booload会把initrd文件读到内存中,然后把initrd的起始地址告诉内核。内核在运行过程中会解压initrd,然后把 initrd挂载为根目录,然后执行根目录中的/initrc脚本,您可以在这个脚本中运行initrd中的udevd,让它来自动加载设备驱动程序以及 在/dev目录下建立必要的设备节点。在udevd自动加载磁盘驱动程序之后,就可以mount真正的根目录,并切换到这个根目录中。

您可以通过下面的方法来制作一个initrd文件。
# dd if=/dev/zero of=initrd.img bs=4k count=1024
# mkfs.ext2 -F initrd.img
# mount -o loop initrd.img /mnt
# cp -r miniroot/* /mnt
# umount /mnt
# gzip -9 initrd.img
通过上面的命令,我们制作了一个4M的initrd,其中miniroot就是一个根目录。最后我们得到一个名为initrd.img.gz的压缩文件。

利用initrd内核在启动阶段可以顺利的加载设备驱动程序,然而initrd存在以下缺点:

initrd大小是固定的,例如上面的压缩之前的initrd大小是4M(4k*1024),假设您的根目录(上例中的miniroot/)总大小 仅仅是1M,它仍然要占用4M的空间。如果您在dd阶段指定大小为1M,后来发现不够用的时候,必须按照上面的步骤重新来一次。

initrd是一个虚拟的块设备,在上面的例子中,您可是使用fdisk对这个虚拟块设备进行分区。在内核中,对块设备的读写还要经过缓冲区管理模 块,也就是说,当内核读取initrd中的文件内容时,缓冲区管理层会认为下层的块设备速度比较慢,因此会启用预读和缓存功能。这样initrd本身就在 内存中,同时块设备缓冲区管理层还会保存一部分内容。 为了避免上述缺点,于是出现了initramfs,它的作用和initrd类似,您可以使用下面的方法来制作一个initramfs:

# find miniroot/ | cpio -c -o > initrd.img
# gzip initrd.img
这样得到的initrd.img大小是可变的,它取决于您的小型根目录miniroot/的总大小,由于首选使用cpio把根目录进行打包,因此这个 initramfs又被称为cpio initrd. 在系统启动阶段,bootload除了从磁盘上机制内核镜像bzImage之外,还要加载initrd.img.gz,然后把initrd.img.gz 的起始地址传递给内核。能不能把这两个文件合二为一呢?答案是肯定的,在Linux 2.6的内核中,可以把initrd.img.gz链接到内核文件(ELF格式)的一个特殊的数据段中,这个段的名字为.init.ramfs。其中全局 变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址。内核启动时会对. init.ramfs段中的数据进行解压,然后使用它作为临时的根文件系统。别看这个过程复杂,您只需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了:
General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
(../miniroot/)    Initramfs source file(s)
其中../miniroot/就是我们的小型根目录。这样就只需要一个内核镜像文件就可以了。 内核在启动过程中,必须对以下几种情况进行处理:

如果.init.ramfs数据段大小不为0(initramfs_end - initramfs_start != 0),就说明这是initrd集成在内核数据段中。并且是cpio的initrd.

initrd是由bootloader加载到内存中的,这时bootloader会把起始地址和结束地址传递给内核,内核中的全局 initrd_start和initrd_end分别指向initrd的起始地址和结束地址。现在内核还需要判断这个initrd是新式的cpio格式的 initrd还是旧的initrd.
initrd 和 initramfs在内核中的处理
临时的根目录rootfs的挂载

首选在内核启动过程,会初始化rootfs文件系统,rootfs和tmpfs都是内存中的文件系统,其类型为ramfs. 然后会把这个rootf挂载到根目录。 其代码如下:
[start_kernel() -> vfs_caches_init() -> mnt_init()]

void __init mnt_init(void) {
......
init_rootfs();
init_mount_tree();
}

init_rootfs()注册rootfs文件系统,代码如下:
static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
.name           = "rootfs",
.get_sb         = rootfs_get_sb,
.kill_sb        = kill_litter_super,
};

int __init init_rootfs(void)
{
err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);
......
return err;
}

init_mount_tree会把rootfs挂载到/目录,代码如下:
static void __init init_mount_tree(void)
{
struct vfsmount *mnt;
struct mnt_namespace *ns;

        mnt = do_kern_mount("rootfs", 0, "rootfs", NULL);
......
set_fs_pwd(current->fs, ns->root, ns->root->mnt_root);
set_fs_root(current->fs, ns->root, ns->root->mnt_root);
}

do_kern_mount()会调用前面注册的rootfs文件系统对象的rootfs_get_sb()函数,
[rootfs_get_sb() -> ramfs_fill_super() -> d_alloc_root()]

struct dentry * d_alloc_root(struct inode * root_inode)
{
struct dentry *res = NULL;

        if (root_inode) {
static const struct qstr name = { .name = "/", .len = 1 };

                res = d_alloc(NULL, &name);
if (res) {
res->d_sb = root_inode->i_sb;
res->d_parent = res;
d_instantiate(res, root_inode);
}
}
return res;
}
从上面的代码中的可以看出,这个rootfs的dentry对象的名字为"/",也就是根目录了。
initrd的解压缩

在start_kernel()的最后,调用rest_init(),rest_init()会建立一个新的内核进程,并在这个内核进程中执行 kernel_init()函数,kernel_init()会调用populate_rootfs()来探测和解压initrd文件。这个函数需要处理 上面的几种initrd的情况。
[kernel_init() -> populate_rootfs()]

static int __init populate_rootfs(void)
{
/* 如果__initramfs_end - __initramfs_start不为0,就说明这是和内核文件集成在一起的cpio的intrd。*/
char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
__initramfs_end - __initramfs_start, 0);
if (err)
panic(err);
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
/* 如果initrd_start不为0,说明这是由bootloader加载的initrd,
* 那么需要进一步判断是cpio格式的initrd,还是老式块设备的initrd。
*/    
if (initrd_start) {
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
int fd;
/* 首先判断是不是cpio格式的initrd,也就是这里说的initramfs。*/
printk(KERN_INFO "checking if image is initramfs...");

                /* 这里unpack_to_rootfs()的最后一个参数为1,表示check only,不会执行解压缩。*/
err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start, 1);
if (!err) {
/* 如果是cpio格式的initrd,把它解压到前面挂载的根文件系统上,然后释放initrd占用的内存。*/
printk(" it is\n");
unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start, 0);
free_initrd();
return 0;
}

/* 如果执行到这里,说明这是旧的块设备格式的initrd。
* 那么首先在前面挂载的根目录上创建一个initrd.image文件,
* 再把initrd_start到initrd_end的内容写入到/initrd.image中,
* 最后释放initrd占用的内存空间(它的副本已经保存到/initrd.image中了。)。
*/

                printk("it isn't (%s); looks like an initrd\n", err);
fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700);
if (fd >= 0) {
sys_write(fd, (char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start);
sys_close(fd);
free_initrd();
}

        ......
return 0;
}
rootfs_initcall(populate_rootfs);

经过populate_rootfs()函数的处理之后,如果是cpio格式的initrd,那么unpack_to_rootfs()函数已经把 目录解压缩到之前mount的根目录上面了。但是如果是旧的块设备的initrd,unpack_to_rootfs()函数解压缩后得到的是一个块虚拟 的设备镜像文件/initrd.image,对于这种情况,还需要进一步处理才能使用。接下来,kernel_init()就要处理这种情况。

static int __init kernel_init(void * unused)
{
......
do_basic_setup();

        /* 内核启动时,可以通过启动参数 rdinit=xxx 来指定启动的最后阶段,需要运行initrd中的哪一个可执行文件,
* 如果指定了这个参数,那么ramdisk_execute_command就会指向xxx这字符串,新cpio格式的initrd默认执行/init。
* 因此,如果如果ramdisk_execute_command为NULL, 就把它设置为/init。
*/
if (!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command = "/init";

        /* 现在,尝试访问ramdisk_execute_command,默认为/init,如果访问失败,说明根目录上不存在这个文件。
* 于是调用prepare_namespace(),进一步检查是不是旧的块设备的initrd
* (在这种情况下,还是一个块设备镜像文件/initrd.image,所以访问/init文件失败。)。
*/
if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
ramdisk_execute_command = NULL;
prepare_namespace();
}

        init_post();
return 0;
}
老式的initrd的处理

prepare_namespace()用于处理老式的initrd。
[kernel_init() -> prepare_namespace() -> initrd_load()]

int __init initrd_load(void)
{
if (mount_initrd) {
create_dev("/dev/ram", Root_RAM0);

                if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) {
sys_unlink("/initrd.image");
handle_initrd();
return 1;
}
}
sys_unlink("/initrd.image");
return 0;
}

initrd_load()执行以下步骤:

调用create_dev()建立设备文件节点/dev/ram,其实这也是一个ramfs文件系统。

调用rd_load_image()把/initrd.image加载到/dev/ram中。

调用handle_initrd()把把块设备文件/dev/ram挂载到/root。

其中handle_initrd()代码如下:
[kernel_init() -> prepare_namespace() -> initrd_load() -> handle_initrd()]

static void __init handle_initrd(void)
{
......

real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);
/* 建立/dev/root.old设备文件。*/
create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0);

        /* 把/dev/root.old mount到/root目录。*/
/* mount initrd on rootfs' /root */
mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);
sys_mkdir("/old", 0700);
root_fd = sys_open("/", 0, 0);
old_fd = sys_open("/old", 0, 0);

        /* move initrd over / and chdir/chroot in initrd root */
sys_chdir("/root");
sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);

        /* chroot到/root目录,好了,现在/root目录成为当前的根目录。*/
sys_chroot(".");

        /*
* In case that a resume from disk is carried out by linuxrc or one of
* its children, we need to tell the freezer not to wait for us.
*/
current->flags |= PF_FREEZER_SKIP;

        /* 建立一个线程,执行/linuxrc,这是旧的initrd默认执行的文件。*/
pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD);

......
}
cpio格式的initrd的处理

对于新的cpio格式的initrd不需要额外的处理,因此kernel_init()继续执行:
[kernel_init() -> init_post()]

static int noinline init_post(void)
{
......

        /* 打开console,注意如果cpio格式的根目录中不存在/dev/console文件,
* 在unpack_to_rootfs()函数也会建立这个设备文件。
*/    
if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");

        /* 现在,标准输入,标准输出和标准错误全部都是/dev/console。*/
(void) sys_dup(0);
(void) sys_dup(0);

        /* 执行ramdisk_execute_command指定的命令,默认为/init.*/
if (ramdisk_execute_command) {
run_init_process(ramdisk_execute_command);
printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",
ramdisk_execute_command);
}

        ......

        run_init_process("/sbin/init");
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");

        panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");
}

在调用run_init_process()执行/init之后,这个函数就不会返回了,一般的发行版本的Linux中,initrd中的 /init脚本会启动udevd,加载必要的设备驱动程序,然后挂载真正的根文件系统,最后在执行真正的根文件系统上的initrd,这样就这个启动过程 就顺利的交接了。

块设备的initrd不仅使用不方便,而且在内核中的处理过程也更加复杂,因此cpio的initrd肯定会取代它,推荐使用cpio格式的initrd.
initrd实例分析

如果您使用的是ubuntu,您可以执行以下的命令来看看它的initrd中的内容。
# mkdir /tmp/initrd
# cp /boot/initrd.img-xxx /tmp/initrd/initrd.img.gz
# cd /tmp/initrd
# gunzip initrd.img.gz
# cat initrd.img | cpio -ivmd

现在,可以来看看这个根目录的init脚本到底做了什么。
# cat init

#!/bin/sh

# ubuntu用户一定很熟悉这个消息。
echo "Loading, please wait..."

......

exec run-init ${rootmnt} ${init} "$@" <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console 2>&1
这个init脚本最后执行initrd中的run-init切换到真正的根文件系统中。

您可以对这个脚本进行修改,加入相关的打印信息,然后使用本文开头介绍的方法,重新制作一个cpio的initrd,然后使用这个initrd启动内核,快看看试验效果吧。