解析linux根文件系统的挂载过程

    一：前言

　　前段时间在编译kernel的时候发现rootfs挂载不上。相同的root选项设置旧版的image却可以。为了彻底解决这个问题。研究了一下rootfs的挂载过程。特总结如下,希望能给这部份知识点比较迷茫的朋友一点帮助。

　　二：rootfs的种类

　　总的来说，rootfs分为两种：虚拟rootfs和真实rootfs.现在kernel的发展趋势是将更多的功能放到用户空间完成。以保持内核的精简。虚拟rootfs也是各linux发行厂商普遍采用的一种方式。可以将一部份的初始化工作放在虚拟的rootfs里完成。然后切换到真实的文件系统.

　　在虚拟rootfs的发展过程中。又有以下几个版本：

　　initramfs:

　　Initramfs是在 kernel 2.5中引入的技术，实际上它的含义就是：在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个cpio包解开，并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，而且使得内核的初始化过程更容易定制。这种这种方式的rootfs是包含在kernel image之中的.

　　cpio-initrd: cpio格式的rootfs

　　image-initrd:传统格式的rootfs

　　关于这两种虚拟文件系统的制作请自行参阅其它资料

　　三：rootfs文件系统的挂载过程

　　这里说的rootfs不同于上面分析的rootfs。这里指的是系统初始化时的根结点。即/结点。它是其于内存的rootfs文件系统。这部份之前在<< linux启动过程分析>>和文件系统中已经分析过。为了知识的连贯性这里再重复一次。

　　Start_kernel()àmnt_init():

　　void __init mnt_init(void)

　　{

　　……

　　……

　　init_rootfs();

　　init_mount_tree();

　　}

　　Init_rootfs的代码如下：

　　int __init init_rootfs(void)

　　{

　　int err;

　　err = bdi_init(&ramfs_backing_dev_info);

　　if (err)

　　return err;

　　err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);

　　if (err)

　　bdi_destroy(&ramfs_backing_dev_info);

　　return err;

　　}

　　这个函数很简单。就是注册了rootfs的文件系统.

　　init_mount_tree()代码如下：

　　static void __init init_mount_tree(void)

　　{

　　struct vfsmount *mnt;

　　struct mnt_namespace *ns;

　　struct path root;

　　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);

　　set_fs_root(current->fs, &root);

　　}

　　在这里，将rootfs文件系统挂载。它的挂载点默认为”/”.最后切换进程的根目录和当前目录为”/”.这也就是根目录的由来。不过这里只是初始化。等挂载完具体的文件系统之后，一般都会将根目录切换到具体的文件系统。所以在系统启动之后，用mount命令是看不到rootfs的挂载信息的.

　　四：虚拟文件系统的挂载

　　根目录已经挂上去了，可以挂载具体的文件系统了.

　　在start_kernel()àrest_init()àkernel_init():

　　static int __init kernel_init(void * unused)

　　{

　　……

　　……

　　do_basic_setup();

　　if (!ramdisk_execute_command)

　　ramdisk_execute_command = "/init";

　　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;

　　}

　　do_basic_setup()是一个很关键的函数，所有直接编译在kernel中的模块都是由它启动的。代码片段如下：

　　static void __init do_basic_setup(void)

　　{

　　/* drivers will send hotplug events */

　　init_workqueues();

　　usermodehelper_init();

　　driver_init();

　　init_irq_proc();

　　do_initcalls();

　　}

　　Do_initcalls()用来启动所有在__initcall_start和__initcall_end段的函数，而静态编译进内核的modules也会将其入口放置在这段区间里。

　　跟根文件系统相关的初始化函数都会由rootfs_initcall()所引用。注意到有以下初始化函数：

　　rootfs_initcall(populate_rootfs);

　　也就是说会在系统初始化的时候会调用populate_rootfs进行初始化。代码如下：

　　static int __init populate_rootfs(void)

　　{

　　char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,

　　__initramfs_end - __initramfs_start, 0);

　　if (err)

　　panic(err);

　　if (initrd_start) {

　　#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM

　　int fd;

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

　　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);

　　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();

　　}

　　#else

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

　　err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,

　　initrd_end - initrd_start, 0);

　　if (err)

　　panic(err);

　　printk(" done\n");

　　free_initrd();

　　#endif

　　}

　　return 0;

　　}

　　unpack_to_rootfs：顾名思义就是解压包，并将其释放至rootfs。它实际上有两个功能，一个是释放包，一个是查看包，看其是否属于cpio结构的包。功能选择是根据最后的一个参数来区分的.

　　在这个函数里，对应我们之前分析的三种虚拟根文件系统的情况。一种是跟kernel融为一体的initramfs.在编译kernel的时候，通过链接脚本将其存放在__initramfs_start至__initramfs_end的区域。这种情况下，直接调用unpack_to_rootfs将其释放到根目录.如果不是属于这种形式的。也就是__initramfs_start和__initramfs_end的值相等，长度为零。不会做任何处理。退出.

　　对应后两种情况。从代码中看到，必须要配制CONFIG_BLK_DEV_RAM才会支持image-initrd。否则全当成cpio-initrd的形式处理。

　　对于是cpio-initrd的情况。直接将其释放到根目录。对于是image-initrd的情况。将其释放到/initrd.image.最后将initrd内存区域归入伙伴系统。这段内存就可以由操作系统来做其它的用途了。

　　接下来，内核对这几种情况又是怎么处理的呢?不要着急。往下看：

　　回到kernel_init()这个函数：

　　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";

　　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;

　　}

　　ramdisk_execute_command:在kernel解析引导参数的时候使用。如果用户指定了init文件路径，即使用了“init=”，就会将这个参数值存放到这里。

　　如果没有指定init文件路径。默认为/init

　　对应于前面一段的分析，我们知道，对于initramdisk和cpio-initrd的情况，都会将虚拟根文件系统释放到根目录。如果这些虚拟文件系统里有/init这个文件。就会转入到init_post()。

　　Init_post()代码如下：

　　static int noinline init_post(void)

　　{

　　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);

　　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.");

　　}

　　从代码中可以看中，会依次执行指定的init文件，如果失败，就会执行/sbin/init, /etc/init,, /bin/init,/bin/sh

　　注意的是，run_init_process在调用相应程序运行的时候，用的是kernel_execve。也就是说调用进程会替换当前进程。只要上述任意一个文件调用成功，就不会返回到这个函数。如果上面几个文件都无法执行。打印出没有找到init文件的错误。

　　对于image-hdr或者是虚拟文件系统中没有包含 /init的情况，会由prepare_namespace()处理。代码如下：

　　void __init prepare_namespace(void)

　　{

　　int is_floppy;

　　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 */

　　while (driver_probe_done() != 0)

　　msleep(100);

　　//mtd的处理

　　md_run_setup();

　　if (saved_root_name[0]) {

　　root_device_name = saved_root_name;

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

　　mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);

　　goto out;

　　}

　　ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);

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

　　root_device_name += 5;

　　}

　　if (initrd_load())

　　goto out;

　　/* 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);

　　}

　　is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;

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

　　ROOT_DEV = Root_RAM0;

　　mount_root();

　　out:

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

　　sys_chroot(".");

　　}

　　这里有几个比较有意思的处理，首先用户可以用root=来指定根文件系统。它的值保存在saved_root_name中。如果用户指定了以mtd开始的字串做为它的根文件系统。就会直接去挂载。这个文件是mtdblock的设备文件。

　　否则将设备结点文件转换为ROOT_DEV即设备节点号

　　然后，转向initrd_load()执行initrd预处理后，再将具体的根文件系统挂载。

　　注意到，在这个函数末尾。会调用sys_mount()来移动当前文件系统挂载点到”/”目录下。然后将根目录切换到当前目录。这样，根文件系统的挂载点就成为了我们在用户空间所看到的”/”了.

　　对于其它根文件系统的情况，会先经过initrd的处理。即

　　int __init initrd_load(void)

　　{

　　if (mount_initrd) {

　　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.

　　*/

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

　　sys_unlink("/initrd.image");

　　handle_initrd();

　　return 1;

　　}

　　}

　　sys_unlink("/initrd.image");

　　return 0;

　　}

　　建立一个ROOT_RAM)的设备节点，并将/initrd/.image释放到这个节点中，/initrd.image的内容，就是我们之前分析的image-initrd。

　　如果根文件设备号不是ROOT_RAM0( 用户指定的根文件系统不是/dev/ram0就会转入到handle_initrd()

　　如果当前根文件系统是/dev/ram0.将其直接挂载就好了。

　　handle_initrd()代码如下：

　　static void __init handle_initrd(void)

　　{

　　int error;

　　int pid;

　　real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);

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

　　/* 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);

　　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;

　　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 */

　　sys_fchdir(root_fd);

　　sys_chroot(".");

　　sys_close(old_fd);

　　sys_close(root_fd);

　　if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) {

　　sys_chdir("/old");

　　return;

　　}

　　ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev);

　　mount_root();

　　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");

　　}

　　}

　　先将/dev/ram0挂载，而后执行/linuxrc.等其执行完后。切换根目录，再挂载具体的根文件系统.

　　到这里。文件系统挂载的全部内容就分析完了.

　　五：小结

　　在本小节里。分析了根文件系统的挂载流程。并对几个虚拟根文件系统的情况做了详细的分析。理解这部份，对我们构建linux嵌入式开发系统是很有帮助的.