Linux核心Ramdisk(initrd)機制

摘要:對於Linux使用者來說，Ramdisk並不陌生，可是為什麼需要它呢？本文對Ramdisk在核心啟動過程中的作用，以及它的內部機制進行深入介紹。
標題
initrd 和 initramfs在核心中的處理
臨時的根目錄rootfs的掛載
initrd的解壓縮
老式的initrd的處理
cpio格式的initrd的處理
initrd執行個體分析
在早期的Linux系統中，一般就只有磁碟片或者硬碟被用來作為Linux的根檔案系統，因此很容易把這些裝置的驅動程式整合到核心中。但是現在根檔案系統可能儲存在各種存放裝置上，包括SCSI, SATA, 隨身碟等等。因此把這些裝置驅動程式全部編譯到核心中顯得不太方便。在Linux核心模組自動載入機制的介紹中，我們看到利用udevd可以實現實現核心模組的自動載入，因此我們希望根檔案系統的裝置驅動程式也能夠實現自動載入。但是這裡有一個矛盾，udevd是一個可執行檔，在根檔案系統被掛載前，是不可能執行udevd的，但是如果udevd沒有啟動，那就無法自動載入根根據系統裝置的驅動程式，同時也無法在/dev目錄下建立相應的裝置節點。為瞭解決這個矛盾，於是出現了initrd(boot loader initialized RAM disk)。initrd是一個被壓縮過的小型根目錄，這個目錄中包含了啟動階段中必須的驅動模組，可執行檔和啟動指令碼。包括上面提到的udevd，當系統啟動的時候，booload會把initrd檔案讀到記憶體中，然後把initrd的起始地址告訴核心。核心在運行過程中會解壓initrd，然後把 initrd掛載為根目錄，然後執行根目錄中的/initrc指令碼，您可以在這個指令碼中運行initrd中的udevd，讓它來自動載入裝置驅動程式以及在/dev目錄下建立必要的裝置節點。在udevd自動載入磁碟驅動程式之後，就可以mount真正的根目錄，並切換到這個根目錄中。

您可以通過下面的方法來製作一個initrd檔案。

# 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

通過上面的命令，我們製作了一個4M的initrd，其中miniroot就是一個根目錄。最後我們得到一個名為initrd.img.gz的壓縮檔。
利用initrd核心在啟動階段可以順利的載入裝置驅動程式，然而initrd存在以下缺點：

initrd大小是固定的，例如上面的壓縮之前的initrd大小是4M(4k*1024)，假設您的根目錄(上例中的miniroot/)總大小僅僅是 1M，它仍然要佔用4M的空間。如果您在dd階段指定大小為1M，後來發現不夠用的時候，必須按照上面的步驟重新來一次。

initrd是一個虛擬塊裝置，在上面的例子中，您可是使用fdisk對這個虛擬塊裝置進行分區。在核心中，對塊裝置的讀寫還要經過緩衝區管理模組，也就是說，當核心讀取initrd中的檔案內容時，緩衝區管理層會認為下層的塊裝置速度比較慢，因此會啟用預讀和緩衝功能。這樣initrd本身就在記憶體中，同時塊裝置緩衝區管理層還會儲存一部分內容。為了避免上述缺點，於是出現了initramfs，它的作用和initrd類似，您可以使用下面的方法來製作一個initramfs：

# find miniroot/ | cpio -c -o > initrd.img

# gzip initrd.img 這樣得到的initrd.img大小是可變的，它取決於您的小型根目錄miniroot/的總大小，由於首選使用cpio把根目錄進行打包，因此這個initramfs又被稱為cpio initrd. 在系統啟動階段，bootload除了從磁碟上機制核心鏡像bzImage之外，還要載入initrd.img.gz，然後把initrd.img.gz 的起始地址傳遞給核心。能不能把這兩個檔案合二為一呢？答案是肯定的，在Linux 2.6的核心中，可以把initrd.img.gz連結到核心檔案(ELF格式)的一個特殊的資料區段中，這個段的名字為.init.ramfs。其中全域變數__initramfs_start和__initramfs_end分別指向這個資料區段的起始地址和結束位址。核心啟動時會對.init.ramfs段中的資料進行解壓，然後使用它作為臨時的根檔案系統。別看這個過程複雜，您只需要在make menuconfig中配置以下選項就可以了：
General setup  --->  

[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support     (../miniroot/)    Initramfs source file(s) 其中../miniroot/就是我們的小型根目錄。這樣就只需要一個核心鏡像檔案就可以了。 核心在啟動過程中，必須對以下幾種情況進行處理：
如果.init.ramfs資料區段大小不為0(initramfs_end - initramfs_start != 0)，就說明這是initrd整合在核心資料區段中。並且是cpio的initrd.

initrd是由bootloader載入到記憶體中的，這時bootloader會把起始地址和結束位址傳遞給核心，核心中的全域 initrd_start和initrd_end分別指向initrd的起始地址和結束位址。現在核心還需要判斷這個initrd是新式的cpio格式的 initrd還是舊的initrd.

initrd 和 initramfs在核心中的處理
臨時的根目錄rootfs的掛載
首選在核心啟動過程，會初始化rootfs檔案系統，rootfs和tmpfs都是記憶體中的檔案系統，其類型為ramfs. 然後會把這個rootf掛載到根目錄。 其代碼如下：

[start_kernel() -> vfs_caches_init() -> mnt_init()]

void __init mnt_init(void)

{        ......      

  init_rootfs();       

  init_mount_tree();

}init_rootfs()註冊rootfs檔案系統，代碼如下：

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會把rootfs掛載到/目錄，代碼如下：

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()會調用前面註冊的rootfs檔案系統對象的rootfs_get_sb()函數，

[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;}從上面的代碼中的可以看出，這個rootfs的dentry對象的名字為"/"，也就是根目錄了。
initrd的解壓縮
在start_kernel()的最後，調用rest_init()，rest_init()會建立一個新的核心進程，並在這個核心進程中執行 kernel_init()函數，kernel_init()會調用populate_rootfs()來探測和解壓initrd檔案。這個函數需要處理上面的幾種initrd的情況。

[kernel_init() -> populate_rootfs()]static int __init populate_rootfs(void){        /* 如果__initramfs_end - __initramfs_start不為0，就說明這是和核心檔案整合在一起的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不為0，說明這是由bootloader載入的initrd，          * 那麼需要進一步判斷是cpio格式的initrd，還是老式塊裝置的initrd。         */             if (initrd_start) {#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM                int fd;                /* 首先判斷是不是cpio格式的initrd，也就是這裡說的initramfs。*/                printk(KERN_INFO "checking if image is initramfs...");                /* 這裡unpack_to_rootfs()的最後一個參數為1，表示check only，不會執行解壓縮。*/                err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,                        initrd_end - initrd_start, 1);                if (!err) {                        /* 如果是cpio格式的initrd，把它解壓到前面掛載的根檔案系統上，然後釋放initrd佔用的記憶體。*/                        printk(" it is/n");                        unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,                                initrd_end - initrd_start, 0);                        free_initrd();                        return 0;                }                                /* 如果執行到這裡，說明這是舊的塊裝置格式的initrd。                 * 那麼首先在前面掛載的根目錄上建立一個initrd.image檔案，                 * 再把initrd_start到initrd_end的內容寫入到/initrd.image中，                 * 最後釋放initrd佔用的記憶體空間(它的副本已經儲存到/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);經過populate_rootfs()函數的處理之後，如果是cpio格式的initrd，那麼unpack_to_rootfs()函數已經把目錄解壓縮到之前mount的根目錄上面了。但是如果是舊的塊裝置的initrd，unpack_to_rootfs()函數解壓縮後得到的是一個塊虛擬裝置鏡像檔案/initrd.image，對於這種情況，還需要進一步處理才能使用。接下來，kernel_init()就要處理這種情況。

static int __init kernel_init(void * unused){        ......        do_basic_setup();        /* 核心啟動時，可以通過啟動參數 rdinit=xxx 來指定啟動的最後階段，需要運行initrd中的哪一個可執行檔，         * 如果指定了這個參數，那麼ramdisk_execute_command就會指向xxx這字串，新cpio格式的initrd預設執行/init。         * 因此，如果如果ramdisk_execute_command為NULL， 就把它設定為/init。         */        if (!ramdisk_execute_command)                ramdisk_execute_command = "/init";        /* 現在，嘗試訪問ramdisk_execute_command，預設為/init，如果訪問失敗，說明根目錄上不存在這個檔案。          * 於是調用prepare_namespace()，進一步檢查是不是舊的塊裝置的initrd         * (在這種情況下，還是一個塊裝置鏡像檔案/initrd.image，所以訪問/init檔案失敗。)。         */        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的處理
prepare_namespace()用於處理老式的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()執行以下步驟：

調用create_dev()建立裝置檔案節點/dev/ram，其實這也是一個ramfs檔案系統。

調用rd_load_image()把/initrd.image載入到/dev/ram中。

調用handle_initrd()把把塊裝置檔案/dev/ram掛載到/root。

其中handle_initrd()代碼如下：

[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裝置檔案。*/        create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0);        /* 把/dev/root.old mount到/root目錄。*/        /* 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目錄，好了，現在/root目錄成為當前的根目錄。*/        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;        /* 建立一個線程，執行/linuxrc，這是舊的initrd預設執行的檔案。*/        pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD);                ......}cpio格式的initrd的處理
對於新的cpio格式的initrd不需要額外的處理，因此kernel_init()繼續執行：

[kernel_init() -> init_post()]static int noinline init_post(void){        ......        /* 開啟console，注意如果cpio格式的根目錄中不存在/dev/console檔案，         * 在unpack_to_rootfs()函數也會建立這個裝置檔案。         */             if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)                printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console./n");        /* 現在，標準輸入，標準輸出和標準錯誤全部都是/dev/console。*/        (void) sys_dup(0);        (void) sys_dup(0);        /* 執行ramdisk_execute_command指定的命令，預設為/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.");}在調用run_init_process()執行/init之後，這個函數就不會返回了，一般的發行版本的Linux中，initrd中的/init指令碼會啟動udevd，載入必要的裝置驅動程式，然後掛載真正的根檔案系統，最後在執行真正的根檔案系統上的initrd，這樣就這個啟動過程就順利的交接了。

塊裝置的initrd不僅使用不方便，而且在核心中的處理過程也更加複雜，因此cpio的initrd肯定會取代它，推薦使用cpio格式的initrd.

initrd執行個體分析
如果您使用的是ubuntu，您可以執行以下的命令來看看它的initrd中的內容。

# 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 現在，可以來看看這個根目錄的init指令碼到底做了什麼。

# cat init#!/bin/sh# ubuntu使用者一定很熟悉這個訊息。echo "Loading, please wait..."......exec run-init ${rootmnt} ${init} "$@" <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console 2>&1這個init指令碼最後執行initrd中的run-init切換到真正的根檔案系統中。
您可以對這個指令碼進行修改，加入相關的列印資訊，然後使用本文開頭介紹的方法，重新製作一個cpio的initrd，然後使用這個initrd啟動核心，快看看實驗效果吧。