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

这一篇在前两篇讲解的基础上来跟踪一下代码

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

static int __init populate_rootfs(void)
{
    char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start, // 批注1
             __initramfs_end - __initramfs_start);
    if (err)
        panic(err);    /* Failed to decompress INTERNAL initramfs */
    if (initrd_start) { // 批注2
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
        int fd;
        printk(KERN_INFO "Trying to unpack rootfs image as initramfs...\n");
        err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, // 批注3
            initrd_end - initrd_start);
        if (!err) {
            free_initrd();
            return 0;
        } else {
            clean_rootfs();
            unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
                 __initramfs_end - __initramfs_start);
        }
        printk(KERN_INFO "rootfs image is not initramfs (%s)"
                "; looks like an initrd\n", err);
        fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700); // 批注4
        if (fd >= 0) {
            sys_write(fd, (char *)initrd_start, // 批注5
                    initrd_end - initrd_start);
            sys_close(fd);
            free_initrd(); // 批注6
        }
#else
        printk(KERN_INFO "Unpacking initramfs...\n");
        err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
            initrd_end - initrd_start);
        if (err)
            printk(KERN_EMERG "Initramfs unpacking failed: %s\n", err);
        free_initrd();
#endif
    }
    return 0;
}

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

void __init prepare_namespace(void)
{
    int is_floppy;

    if (root_delay) { // 批注1
        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.
     */
    wait_for_device_probe(); // 批注2

    md_run_setup();

    if (saved_root_name[0]) { // 批注3
        root_device_name = saved_root_name;
        if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||
         !strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {
            mount_block_root(root_device_name, root_mountflags); // 批注4
            goto out;
        }
        ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name); // 批注5
        if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
            root_device_name += 5;
    }

    if (initrd_load()) // 批注6
        goto out;

    /* wait for any asynchronous scanning to complete */
    if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) { // 批注7
        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:
    sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); // 批注8
    sys_chroot("."); // 批注9
}

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。

int __init initrd_load(void)
{
    if (mount_initrd) { // 批注1
        create_dev("/dev/ram", Root_RAM0); // 批注2
        /*
         * 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) { // 批注3
            sys_unlink("/initrd.image");
            handle_initrd(); // 批注4
            return 1;
        }
    }
    sys_unlink("/initrd.image");
    return 0;
}

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。。

static void __init handle_initrd(void)
{
    int error;
    int pid;

    real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV); // 批注1
    create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0); // 批注2
    /* mount initrd on rootfs' /root */
    mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);
    sys_mkdir("/old", 0700); // 批注3
    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"); // 批注4
    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); // 批注5
    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); // 批注6
    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) { // 批注7
        sys_chdir("/old");
        return;
    }

    ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev); // 批注8
    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");
    }
}

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。