根文件系统的含义和相关重要概念以及加载代码分析

简单的来说，根文件系统包括虚拟根文件系统和真实根文件系统。在Kernel启动的初始阶段，首先去创建虚拟的根文件系统，接下来再去调用do_mount来加载真正的文件系统，并将根文件系统切换到真正的文件系统，也即真实的文件系统。

一．什么是根文件系统

在传统的Windows机器上目录结构中，可能会包括C：或者D:盘，而他们一般就称之为特定逻辑磁盘的根目录。从文件系统的层面来说，每一个分区都包含了一个根目录区，也即系统中存在多个根目录。

但是，在Linux系统中，目录结构与Windows上有较大的不同。系统中只有一个根目录，路径是“/”，而其它的分区只是挂载在根目录中的一个文件夹，如“/proc”和“system”等，这里的“/”就是Linux中的根目录。

对应根目录也就存在一个根目录文件系统的概念，我们可以将某一个分区挂载为根目录文件系统，如6410公版中就将mtdblk2挂载为根目录文件系统。程序中可以通过U-Boot给Kernel指定参数或者编译选项来指定，如目前的开发板中就通过如下的编译选项来制定根目录文件系统：

CONFIG_CMDLINE="console=ttyS0,115200 mem=108M rdinit=/linuxrc root=/dev/mtdblock2"

简单的来说，根目录文件系统就是一种目录结构，包括了Linux启动的时候所必须的一些目录结构和重要文件。

根文件系统有两种，一种是虚拟根文件系统，另外一种是真实的根文件系统。一般情况下，会首先在虚拟的根文件系统中做一部分工作，然后切换到真实的根文件系统下面。

笼统的来说，虚拟的根文件系统包括三种类型，即Initramfs、cpio-initrd和image-initrd。

二．相关重要概念

1. Initrd

Initrd是在Linux中普遍采用的一种技术，就是由Bootloader加载的内存盘。在系统启动的过程中，首先会执行Initrd中的“某一个文件” 来完成驱动模块加载的任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的/sbin/init。这里提到的第一阶段是为第二阶段服务的，主要是用来加载根文件系统以及根文件系统存储介质的驱动程序。

注：之所以称之为“某一个文件”，是因为这里文件的名字因为操作系统的版本不同而不同

资料中提到，存在多种类型的Initrd，实际应用中包括无Initrd、Linux Kernel和Initrd打包、Linux Kernel和Initrd分离以及RAMDisk Initrd。

目前，手中项目采用的就是第四种策略。在系统启动的时候，U-Boot会将Linux Kernel和Rootfs加载到内存，并跳转到Linux Kernel的入口地址执行程序。这篇文章将侧重对该种情况进行分析。

三．根文件系统加载代码分析

1. VFS的注册

首先不得不从老掉牙的Linux系统的函数start_kernel()说起。函数start_kernel()中会去调用vfs_caches_init()来初始化VFS。

下面看一下函数vfs_caches_init ()的代码：

void __init vfs_caches_init(unsigned long mempages)

{

unsigned long reserve;

/* Base hash sizes on available memory, with a reserve equal to

150% of current kernel size */

reserve = min((mempages - nr_free_pages()) * 3/2, mempages - 1);

mempages -= reserve;

names_cachep = kmem_cache_create("names_cache", PATH_MAX, 0,

SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL);

dcache_init();

inode_init();

files_init(mempages);

[1] mnt_init();

bdev_cache_init();

chrdev_init();

}

代码【1】：vfs_caches_init()中最重要的函数。函数mnt_init()会创建一个rootfs，这是个虚拟的rootfs，即内存文件系统，后面还会指向真实的文件系统。

接下来看一下函数mnt_init()：

Void __init mnt_init(void)

{

unsigned u;

int err;

init_rwsem(&namespace_sem);

mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct vfsmount),

0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);

mount_hashtable = (struct list_head *)__get_free_page(GFP_ATOMIC);

if (!mount_hashtable)

panic("Failed to allocate mount hash table/n");

printk("Mount-cache hash table entries: %lu/n", HASH_SIZE);

for (u = 0; u < HASH_SIZE; u++)

INIT_LIST_HEAD(&mount_hashtable[u]);

err = sysfs_init();

if (err)

printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d/n",

__func__, err);

fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);

if (!fs_kobj)

printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error/n", __func__);

[1] init_rootfs();

[2] init_mount_tree();

}

代码[1]：创建虚拟根文件系统；

代码[2]：注册根文件系统。

接下来看一下函数init_mount_tree()的代码：

static void __init init_mount_tree(void)

{

struct vfsmount *mnt;

struct mnt_namespace *ns;

struct path root;

[1] mnt = do_kern_mount("rootfs", 0, "rootfs", NULL);

if (IS_ERR(mnt))

panic("Can't create rootfs");

ns = kmalloc(sizeof(*ns), GFP_KERNEL);

if (!ns)

panic("Can't allocate initial namespace");

atomic_set(&ns->count, 1);

INIT_LIST_HEAD(&ns->list);

init_waitqueue_head(&ns->poll);

ns->event = 0;

list_add(&mnt->mnt_list, &ns->list);

ns->root = mnt;

mnt->mnt_ns = ns;

init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;

get_mnt_ns(ns);

root.mnt = ns->root;

root.dentry = ns->root->mnt_root;

set_fs_pwd(current->fs, &root);

[2] set_fs_root(current->fs, &root);

}   

代码[1]：创建虚拟文件系统；

代码[2]：将当前的文件系统配置为根文件系统。

可能有人会问，为什么不直接把真实的文件系统配置为根文件系统？

答案很简单，内核中没有根文件系统的设备驱动，如USB等存放根文件系统的设备驱动，而且即便你将根文件系统的设备驱动编译到内核中，此时它们还尚未加载，其实所有的Driver是由在后面的Kernel_Init线程进行加载。所以需要CPIO Initrd、Initrd和RAMDisk Initrd。另外，我们的Root设备都是以设备文件的方式指定的，如果没有根文件系统，设备文件怎么可能存在呢？

2. VFS的挂载

接下来，Kernel_Start会去调用rest_init()并会去创建系统中的第一个进程Kernel_Init，并由其调用所有模块的初始化函数，其中ROOTFS的初始化函数也在这个期间被调用。

函数rest_init代码如下：

/*

* We need to finalize in a non-__init function or else race conditions

* between the root thread and the init thread may cause start_kernel to

* be reaped by free_initmem before the root thread has proceeded to

* cpu_idle.

*

* gcc-3.4 accidentally inlines this function, so use noinline.

*/

static noinline void __init_refok rest_init(void)

__releases(kernel_lock)

{

int pid;

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

numa_default_policy();

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);

unlock_kernel();

/*

* The boot idle thread must execute schedule()

* at least once to get things moving:

*/

init_idle_bootup_task(current);

rcu_scheduler_starting();

preempt_enable_no_resched();

schedule();

preempt_disable();

/* Call into cpu_idle with preempt disabled */

cpu_idle();

}

函数Kernel_Init代码如下：

static int __init kernel_init(void * unused)

{

lock_kernel();

/*

* init can run on any cpu.

*/

set_cpus_allowed_ptr(current, CPU_MASK_ALL_PTR);

/*

* Tell the world that we're going to be the grim

* reaper of innocent orphaned children.

*

* We don't want people to have to make incorrect

* assumptions about where in the task array this

* can be found.

*/

init_pid_ns.child_reaper = current;

cad_pid = task_pid(current);

smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);

do_pre_smp_initcalls();

start_boot_trace();

smp_init();

sched_init_smp();

cpuset_init_smp();

[1] do_basic_setup();

/*

* check if there is an early userspace init. If yes, let it do all

* the work

*/

[2] if (!ramdisk_execute_command)

ramdisk_execute_command = "/init";

[3] if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {

ramdisk_execute_command = NULL;

prepare_namespace();

}

/*

* Ok, we have completed the initial bootup, and

* we're essentially up and running. Get rid of the

* initmem segments and start the user-mode stuff..

*/

init_post();

return 0;

}

代码[1]：函数do_basic_setup()调用所有模块的初始化函数，包括initramfs的初始化函数populate_rootfs。这部分代码在init/initramfs.c下面，函数populate_rootfs通过如下方式导出：

rootfs_initcall(populate_rootfs);

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

代码[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。

需要特别指出的是initramfs.c模块的入口函数populate_rootfs()是否执行取决于Kernel的编译选项。参照linux/init目录下的makefile文件，如下：

#

# Makefile for the linux kernel.

#

obj-y := main.o version.o mounts.o

ifneq ($(CONFIG_BLK_DEV_INITRD),y)

obj-y += noinitramfs.o

else

obj-$(CONFIG_BLK_DEV_INITRD) += initramfs.o

endif

obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o

mounts-y := do_mounts.o

mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_RAM) += do_mounts_rd.o

mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_INITRD) += do_mounts_initrd.o

mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_MD) += do_mounts_md.o

主要完成Initrd的检测工作，检查出是CPIO Initrd还是Initramfs还是Image-Initrd还是需要在编译的时候做如下的配置（General setupàInitramfs/initrd support）：

该函数的代码如下：

static int __init populate_rootfs(void)

{

[1] char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,

__initramfs_end - __initramfs_start, 0);

if (err)

panic(err);

[2] if (initrd_start) {

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM

int fd;

printk(KERN_INFO "checking if image is initramfs...");

[3] err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,

initrd_end - initrd_start, 1);

if (!err) {

printk(" it is/n");

unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,

initrd_end - initrd_start, 0);

free_initrd();

return 0;

}

printk("it isn't (%s); looks like an initrd/n", err);

[4] fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700);

if (fd >= 0) {

[5] sys_write(fd, (char *)initrd_start,

initrd_end - initrd_start);

sys_close(fd);

[6] free_initrd();

}

#else

printk(KERN_INFO "Unpacking initramfs...");

[7] err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,

initrd_end - initrd_start, 0);

if (err)

panic(err);

printk(" done/n");

free_initrd();

#endif

}

return 0;

}

代码[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。

资料中提到，Linux2.5中开始引入initramfs，在Linux2.6中一定存在，而且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。

代码[2]：判断是否加载了Initrd，无论对于那种格式的Initrd，即无论是CPIO-Initrd还是Image-Initrd，U-Boot都会将其拷贝到initrd_start。当然了，如果是initramfs的情况下，该值肯定为空了。

代码[3]：判断加载的是不是CPIO-Initrd。

通过在这里主要用于检测，如果是编译到Linux Kernel的CPIO Initrd，__initramfs_end - __initramfs_start应该是大于零的，否则为零，其实也就是通过这里来判断是否为CPIO Initrd。

代码[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。

代码[5]：这里是对Image-Initrd提供支持的，将内存中的initrd赋值到initrd.image中，以释放内存空间。

代码[6]：释放Initrd所占用的内存空间。

另外，如果要支持Image-Initrd的话，必须要配置CONFIG_BLK_DEV_RAM，配置的方法上面已经讲过。

下面接着来分析函数kernel_init

static int __init kernel_init(void * unused)

{

…

do_basic_setup();

/*

* check if there is an early userspace init. If yes, let it do all

* the work

*/

if (!ramdisk_execute_command)

ramdisk_execute_command = "/init";

[1] if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {

ramdisk_execute_command = NULL;

prepare_namespace();

}

/*

* Ok, we have completed the initial bootup, and

* we're essentially up and running. Get rid of the

* initmem segments and start the user-mode stuff..

*/

init_post();

return 0;

}   

代码[1]：前面在对函数populate_rootfs进行分析的时候已经知道，对于initramfs和cpio-initrd的情况，都会将文件系统（其实是一个VFS）解压到根文件系统。如果虚拟文件系统中存在ramdisk_execute_command指定的文件则直接转向init_post()来执行，否则执行函数prepare_namespace()。

3. 根文件系统的挂载

从上面的代码分析中知道，对于Image-Initrd或者VFS（即InitRamfs或者CPIO-Initrd）中不存在文件ramdisk_execute_command的情况，则执行prepare_namespace()。

接下来看一下函数prepare_namespace()的代码：

/*

* Prepare the namespace - decide what/where to mount, load ramdisks, etc.

*/

void __init prepare_namespace(void)

{

int is_floppy;

[1] if (root_delay) {

printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device.../n",

root_delay);

ssleep(root_delay);

}

/*

* wait for the known devices to complete their probing

*

* Note: this is a potential source of long boot delays.

* For example, it is not atypical to wait 5 seconds here

* for the touchpad of a laptop to initialize.

*/

[2] wait_for_device_probe();

md_run_setup();

[3] if (saved_root_name[0]) {

root_device_name = saved_root_name;

if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||

!strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {

[4] mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);

goto out;

}

[5] ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);

if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)

root_device_name += 5;

}

[6] if (initrd_load())

goto out;

[7] /* wait for any asynchronous scanning to complete */

if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) {

printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s.../n",

saved_root_name);

while (driver_probe_done() != 0 ||

(ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)

msleep(100);

async_synchronize_full();

}

is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;

if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))

ROOT_DEV = Root_RAM0;

mount_root();

out:

[9] sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);

[10] sys_chroot(".");

}

代码[1]：资料中提到，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。

代码[2]：从字面的意思来看，这里也是来等待根文件系统所在的设备探测函数的完成。

代码[3]：参数saved_root_name存放的是Kernel参数root=所指定的设备文件，这点不再赘述，可以参照代码。

代码[4]：按照资料中的解释，这里相当于将saved_root_nam指定的设备进行加载。如下面传递给内核的command line：

CONFIG_CMDLINE="console=ttyS0,115200 mem=108M rdinit=/linuxrc root=/dev/mtdblock2"

实际上就是加载/dev/mtdblock2。

代码[5]：参数ROOT_DEV存放设备节点号。

代码[6]：挂载initrd，这里进行的操作相当的复杂，可以参照后续关于该函数的详细解释。

代码[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。

代码[9]：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。对于上面的command line的话，当前的目录就是/dev/mtdblock2。

代码[10]：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。

接下来看一下函数initrd_load()的代码：

int __init initrd_load(void)

{

[1] if (mount_initrd) {

[2] create_dev("/dev/ram", Root_RAM0);

/*

* Load the initrd data into /dev/ram0. Execute it as initrd

* unless /dev/ram0 is supposed to be our actual root device,

* in that case the ram disk is just set up here, and gets

* mounted in the normal path.

*/

[3] if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) {

sys_unlink("/initrd.image");

[4] handle_initrd();

return 1;

}

}

sys_unlink("/initrd.image");

return 0;

}   

代码[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；

代码[2]：创建一个Root_RAM0的设备节点/dev/ram；

代码[3]：如果根文件设备号不是Root_RAM0则程序就会执行代码[4]，换句话说，就是给内核指定的参数不是/dev/ram，例如上面指定的/dev/mtdblock2设备节点肯定就不是Root_RAM0。

另外这行代码还将文件initrd.image释放到节点/dev/ram0，也就是对应image-initrd的操作。

代码[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。

函数handle_initrd的代码如下：

static void __init handle_initrd(void)

{

int error;

int pid;

[1] real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);

[2] create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0);

/* mount initrd on rootfs' /root */

mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);

[3] 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 */

[4] sys_chdir("/root");

sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);

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;

[5] pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD);

if (pid > 0)

while (pid != sys_wait4(-1, NULL, 0, NULL))

yield();

current->flags &= ~PF_FREEZER_SKIP;

/* move initrd to rootfs' /old */

sys_fchdir(old_fd);

sys_mount("/", ".", NULL, MS_MOVE, NULL);

/* switch root and cwd back to / of rootfs */

[6] sys_fchdir(root_fd);

sys_chroot(".");

sys_close(old_fd);

sys_close(root_fd);

[7] if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) {

sys_chdir("/old");

return;

}

[8] ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev);

mount_root();

[9] printk(KERN_NOTICE "Trying to move old root to /initrd ... ");

error = sys_mount("/old", "/root/initrd", NULL, MS_MOVE, NULL);

if (!error)

printk("okay/n");

else {

int fd = sys_open("/dev/root.old", O_RDWR, 0);

if (error == -ENOENT)

printk("/initrd does not exist. Ignored./n");

else

printk("failed/n");

printk(KERN_NOTICE "Unmounting old root/n");

sys_umount("/old", MNT_DETACH);

printk(KERN_NOTICE "Trying to free ramdisk memory ... ");

if (fd < 0) {

error = fd;

} else {

error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0);

sys_close(fd);

}

printk(!error ? "okay/n" : "failed/n");

}

}

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

代码[2]：调用mount_block_root将realfs加载到VFS的/root下。

代码[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，这一点在一份IBM官方有关cpio-initrd和image-initrd的执行流程图中可以看到，如下：

代码[4]：sys_chroot到initrd文件系统，前面已经挂载initrd到VFS的root目录下；

代码[5]：执行initrd中的linuxrc，并等待执行结束；

代码[6]：initrd执行结束后，切回到rootfs，不知道为什么直接用节点切呢？

代码[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。

代码[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。

代码[9]：收尾的工作，例如释放内存等。

4. 真实根文件系统挂载后的操作

下面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。其代码如下：

/* This is a non __init function. Force it to be noinline otherwise gcc

* makes it inline to init() and it becomes part of init.text section

*/

static noinline int init_post(void)

{

/* need to finish all async __init code before freeing the memory */

async_synchronize_full();

free_initmem();

unlock_kernel();

mark_rodata_ro();

system_state = SYSTEM_RUNNING;

numa_default_policy();

if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)

printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console./n");

(void) sys_dup(0);

(void) sys_dup(0);

current->signal->flags |= SIGNAL_UNKILLABLE;

if (ramdisk_execute_command) {

run_init_process(ramdisk_execute_command);

printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s/n",

ramdisk_execute_command);

}

/*

* We try each of these until one succeeds.

*

* The Bourne shell can be used instead of init if we are

* trying to recover a really broken machine.

*/

if (execute_command) {

run_init_process(execute_command);

printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s. Attempting "

"defaults.../n", 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.");

}

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。