1.什么是 Initrd
initrd
的英文含义是 boot loader initialized RAM disk,就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linux内
核启动前, boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存,内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的
initrd 文件系统。在 boot loader 配置了 initrd 的情况下,内核启动被分成了两个阶段,第一阶段先执行 initrd 文
件系统中的"某个文件",完成加载驱动模块等任务,第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。这里提到的"某个文件",
Linux2.6 内核会同以前版本内核的不同,所以这里暂时使用了"某个文件"这个称呼,后面会详细讲到。第一阶段启动的目的是为第二阶段的启动扫清一
切障爱,最主要的是加载根文件系统存储介质的驱动模块。我们知道根文件系统可以存储在包括IDE、SCSI、USB在内的多种介质上,如果将这些设备的驱
动都编译进内核,可以想象内核会多么庞大、臃肿。
Initrd 的用途主要有以下四种:
1. linux 发行版的必备部件
linux
发行版必须适应各种不同的硬件架构,将所有的驱动编译进内核是不现实的,initrd 技术是解决该问题的关键技术。Linux 发行版在内核中只编译了
基本的硬件驱动,在安装过程中通过检测系统硬件,生成包含安装系统硬件驱动的 initrd,无非是一种即可行又灵活的解决方案。
2. livecd 的必备部件
同 linux 发行版相比,livecd 可能会面对更加复杂的硬件环境,所以也必须使用 initrd。
3. 制作 Linux usb 启动盘必须使用 initrd
usb
设备是启动比较慢的设备,从驱动加载到设备真正可用大概需要几秒钟时间。如果将 usb 驱动编译进内核,内核通常不能成功访问 usb 设备中的文件系
统。因为在内核访问 usb 设备时, usb 设备通常没有初始化完毕。所以常规的做法是,在 initrd 中加载 usb 驱动,然后休眠几秒中,
等待 usb设备初始化完毕后再挂载 usb 设备中的文件系统。
4. 在 linuxrc 脚本中可以很方便地启用个性化 bootsplash。
2.Linux2.4内核对 Initrd 的处理流程
为
了使读者清晰的了解Linux2.6内核initrd机制的变化,在重点介绍Linux2.6内核initrd之前,先对linux2.4内核的
initrd进行一个简单的介绍。Linux2.4内核的initrd的格式是文件系统镜像文件,本文将其称为image-initrd,以区别后面介绍
的linux2.6内核的cpio格式的initrd。 linux2.4内核对initrd的处理流程如下:
1. boot loader把内核以及/dev/initrd的内容加载到内存,/dev/initrd是由boot loader初始化的设备,存储着initrd。
2. 在内核初始化过程中,内核把 /dev/initrd 设备的内容解压缩并拷贝到 /dev/ram0 设备上。
3. 内核以可读写的方式把 /dev/ram0 设备挂载为原始的根文件系统。
4. 如果 /dev/ram0 被指定为真正的根文件系统,那么内核跳至最后一步正常启动。
5. 执行 initrd 上的 /linuxrc 文件,linuxrc 通常是一个脚本文件,负责加载内核访问根文件系统必须的驱动, 以及加载根文件系统。
6. /linuxrc 执行完毕,真正的根文件系统被挂载。
7. 如果真正的根文件系统存在 /initrd 目录,那么 /dev/ram0 将从 / 移动到 /initrd。否则如果 /initrd 目录不存在, /dev/ram0 将被卸载。
8.
在真正的根文件系统上进行正常启动过程 ,执行 /sbin/init。 linux2.4 内核的 initrd 的执行是作为内核启动的一个中间阶
段,也就是说 initrd 的 /linuxrc 执行以后,内核会继续执行初始化代码,我们后面会看到这是 linux2.4 内核同 2.6 内核
的 initrd 处理流程的一个显著区别。
3.Linux2.6 内核对 Initrd 的处理流程
linux2.6
内核支持两种格式的 initrd,一种是前面第 3 部分介绍的 linux2.4 内核那种传统格式的文件系统镜像-image-initrd,它的
制作方法同 Linux2.4 内核的 initrd 一样,其核心文件就是 /linuxrc。另外一种格式的 initrd 是 cpio 格式的,
这种格式的 initrd 从 linux2.5 起开始引入,使用 cpio 工具生成,其核心文件不再是 /linuxrc,而是 /init,本文
将这种 initrd 称为 cpio-initrd。尽管 linux2.6 内核对 cpio-initrd和 image-initrd 这两种格
式的 initrd 均支持,但对其处理流程有着显著的区别,下面分别介绍 linux2.6 内核对这两种 initrd 的处理流程。
cpio-initrd 的处理流程
1. boot loader 把内核以及 initrd 文件加载到内存的特定位置。
2. 内核判断initrd的文件格式,如果是cpio格式。
3. 将initrd的内容释放到rootfs中。
4. 执行initrd中的/init文件,执行到这一点,内核的工作全部结束,完全交给/init文件处理。
image-initrd的处理流程
1. boot loader把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。
2. 内核判断initrd的文件格式,如果不是cpio格式,将其作为image-initrd处理。
3. 内核将initrd的内容保存在rootfs下的/initrd.image文件中。
4. 内核将/initrd.image的内容读入/dev/ram0设备中,也就是读入了一个内存盘中。
5. 接着内核以可读写的方式把/dev/ram0设备挂载为原始的根文件系统。
6. .如果/dev/ram0被指定为真正的根文件系统,那么内核跳至最后一步正常启动。
7. 执行initrd上的/linuxrc文件,linuxrc通常是一个脚本文件,负责加载内核访问根文件系统必须的驱动, 以及加载根文件系统。
8. /linuxrc执行完毕,常规根文件系统被挂载
9. 如果常规根文件系统存在/initrd目录,那么/dev/ram0将从/移动到/initrd。否则如果/initrd目录不存在, /dev/ram0将被卸载。
10. 在常规根文件系统上进行正常启动过程 ,执行/sbin/init。
通
过上面的流程介绍可知,Linux2.6内核对image-initrd的处理流程同linux2.4内核相比并没有显著的变化, cpio-
initrd的处理流程相比于image-initrd的处理流程却有很大的区别,流程非常简单,在后面的源代码分析中,读者更能体会到处理的简捷。
4.cpio-initrd同image-initrd的区别与优势
没有找到正式的关于cpio-initrd同image-initrd对比的文献,根据笔者的使用体验以及内核代码的分析,总结出如下三方面的区别,这些区别也正是cpio-initrd的优势所在:
cpio-initrd的制作方法更加简单
cpio-initrd的制作非常简单,通过两个命令就可以完成整个制作过程
#假设当前目录位于准备好的initrd文件系统的根目录下bash# find . | cpio -c -o > ../initrd.imgbash# gzip ../initrd.img
而传统initrd的制作过程比较繁琐,需要如下六个步骤
#
假设当前目录位于准备好的initrd文件系统的根目录下bash# dd if=/dev/zero of=../initrd.img bs=
512k count=5bash# mkfs.ext2 -F -m0 ../initrd.imgbash# mount -t ext2 -o loop ../initrd.img /mntbash# cp -r * /mntbash# umount /mntbash# gzip -9 ../initrd.img
本文不对上面命令的含义作细节的解释,因为本文主要介绍的是linux内核对initrd的处理,对上面命令不理解的读者可以参考相关文档。
cpio-initrd的内核处理流程更加简化
通过上面initrd处理流程的介绍,cpio-initrd的处理流程显得格外简单,通过对比可知cpio-initrd的处理流程在如下两个方面得到了简化:
1. cpio-initrd并没有使用额外的ramdisk,而是将其内容输入到rootfs中,其实rootfs本身也是一个基于内存的文件系统。这样就省掉了ramdisk的挂载、卸载等步骤。
2.
cpio-initrd启动完/init进程,内核的任务就结束了,剩下的工作完全交给/init处理;而对于image-initrd,内核在执行完
/linuxrc进程后,还要进行一些收尾工作,并且要负责执行真正的根文件系统的/sbin/init。通过图1可以更加清晰的看出处理流程的区别:
图1内核对cpio-initrd和image-initrd处理流程示意图
cpio-initrd的职责更加重要
如
图1所示,cpio-initrd不再象image-initrd那样作为linux内核启动的一个中间步骤,而是作为内核启动的终点,内核将控制权交给
cpio-initrd的/init文件后,内核的任务就结束了,所以在/init文件中,我们可以做更多的工作,而不比担心同内核后续处理的衔接问题。
当然目前linux发行版的cpio-initrd的/init文件的内容还没有本质的改变,但是相信initrd职责的增加一定是一个趋势。
5.linux2.6内核initrd处理的源代码分析
上
面简要介绍了Linux2.4内核和2.6内核的initrd的处理流程,为了使读者对于Linux2.6内核的initrd的处理有一个更加深入的认
识,下面将对Linuxe2.6内核初始化部分同initrd密切相关的代码给予一个比较细致的分析,为了讲述方便,进一步明确几个代码分析中使用的概
念:
rootfs: 一个基于内存的文件系统,是linux在初始化时加载的第一个文件系统,关于它的进一步介绍可以参考文献[4]。
initramfs:
initramfs同本文的主题关系不是很大,但是代码中涉及到了initramfs,为了更好的理解代码,这里对其进行简单的介绍。
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。Linux 2.6.12内核的
initramfs还没有什么实质性的东西,一个包含完整功能的initramfs的实现可能还需要一个缓慢的过程。对于initramfs的进一步了
解可以参考文献[1][2][3]。
cpio-initrd: 前面已经定义过,指linux2.6内核使用的cpio格式的initrd。
image-initrd: 前面已经定义过,专指传统的文件镜像格式的initrd。
realfs: 用户最终使用的真正的文件系统。
内
核的初始化代码位于 init/main.c 中的 static int init(void * unused)函数中。同initrd的处理相关部
分函数调用层次如下图,笔者按照这个层次对每一个函数都给予了比较详细的分析,为了更好的说明,下面列出的代码中删除了同本文主题不相关的部分:
图2 initrd相关代码的调用层次关系图
init函数是内核所有初始化代码的入口,代码如下,其中只保留了同initrd相关部分的代码。
static int init(void * unused){[1]
populate_rootfs(); [2]
if (sys_access((const char __user *) "/init", 0) == 0)
execute_command = "/init"; else prepare_namespace();[3]
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);[4] if (execute_command)
run_init_process(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.");}
代码[1]:populate_rootfs函数负责加载initramfs和cpio-initrd,对于populate_rootfs函数的细节后面会讲到。
代码[2]:如果rootfs的根目录下中包含/init进程,则赋予execute_command,在init函数的末尾会被执行。否则执行prepare_namespace函数,initrd是在该函数中被加载的。
代码[3]:将控制台设置为标准输入,后续的两个sys_dup(0),则复制标准输入为标准输出和标准错误输出。
代
码[4]:如果rootfs中存在init进程,就将后续的处理工作交给该init进程。其实这段代码的含义是如果加载了cpio-initrd则交给
cpio-initrd中的/init处理,否则会执行realfs中的init。读者可能会问:如果加载了cpio-initrd, 那么realfs
中的init进程不是没有机会运行了吗?确实,如果加载了cpio-initrd,那么内核就不负责执行realfs的init进程了,而是将这个执行任
务交给了cpio-initrd的init进程。解开fedora core4的initrd文件,会发现根目录的下的init文件是一个脚本,在该脚本
的最后一行有这样一段代码:
………..switchroot --movedev /sysroot
就是switchroot语句负责加载realfs,以及执行realfs的init进程。
对cpio-initrd的处理
对cpio-initrd的处理位于populate_rootfs函数中。
void __init populate_rootfs(void){[1] char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
__initramfs_end - __initramfs_start, 0);[2] if (initrd_start) {[3]
err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start, 1); [4] if (!err) { printk(" it is\n");
unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start, 0);
free_initrd_mem(initrd_start, initrd_end); return; }[5]
fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 700);
if (fd >= 0) { sys_write(fd, (char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start); sys_close(fd);
free_initrd_mem(initrd_start, initrd_end); }}
代码[1]:加载
initramfs, 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。前面提到了现在initramfs没有任何实质内容。
代码[2]:判断是否加载了initrd。无论哪种格式的initrd,都会被boot loader加载到地址initrd_start处。
代码[3]:判断加载的是不是cpio-initrd。实际上 unpack_to_rootfs有两个功能一个是释放cpio包,另一个就是判断是不是cpio包, 这是通过最后一个参数来区分的, 0:释放 1:查看。
代码[4]:如果是cpio-initrd则将其内容释放出来到rootfs中。
代码[5]:如果不是cpio-initrd,则认为是一个image-initrd,将其内容保存到/initrd.image中。在后面的image-initrd的处理代码中会读取/initrd.image。
对image-initrd的处理在prepare_namespace函数里,包含了对image-initrd进行处理的代码,相关代码如下:
void __init prepare_namespace(void){[1]
if (initrd_load()) goto out;out: umount_devfs("/dev");[2]
sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); sys_chroot(".");
security_sb_post_mountroot(); mount_devfs_fs ();}
代码[1]:执行initrd_load函数,将initrd载入,如果载入成功的话initrd_load函数会将realfs的根设置为当前目录。
代码[2]:将当前目录即realfs的根mount为Linux VFS的根。initrd_load函数执行完后,将真正的文件系统的根设置为当前目录。
initrd_load函数负责载入image-initrd,代码如下:
int __init initrd_load(void){[1]
if (mount_initrd) { create_dev("/dev/ram", Root_RAM0, NULL);[2]
if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) {
sys_unlink("/initrd.image"); handle_initrd(); return 1; } }
sys_unlink("/initrd.image"); return 0;}
代码[1]:如果加载initrd则建立一个ram0设备 /dev/ram。
代
码[2]:/initrd.image文件保存的就是image-initrd,rd_load_image函数执行具体的加载操作,将image-
nitrd的文件内容释放到ram0里。判断ROOT_DEV!=Root_RAM0的含义是,如果你在grub或者lilo里配置了 root=
/dev/ram0 ,则实际上真正的根设备就是initrd了,所以就不把它作为initrd处理 ,而是作为realfs处理。
handle_initrd()函数负责对initrd进行具体的处理,代码如下:
static void __init handle_initrd(void){[1]
real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);[2]
create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0, NULL);
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("."); mount_devfs_fs ();[5]
pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD); if (pid > 0) {
while (pid != sys_wait4(-1, &i, 0, NULL)) yield(); }
/* 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);
umount_devfs("/old/dev");[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); 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"); }
handle_initrd函数的主要功能是执行initrd的linuxrc文件,并且将realfs的根目录设置为当前目录。
代码[1]:real_root_dev,是一个全局变量保存的是realfs的设备号。
代码[2]:调用mount_block_root函数将initrd文件系统挂载到了VFS的/root下。
代码[3]:提取rootfs的根的文件描述符并将其保存到root_fd。它的作用就是为了在chroot到initrd的文件系统,处理完initrd之后要,还能够返回rootfs。返回的代码参考代码[7]。
代码[4]:chroot进入initrd的文件系统。前面initrd已挂载到了rootfs的/root目录。
代码[5]:执行initrd的linuxrc文件,等待其结束。
代码[6]:initrd处理完之后,重新chroot进入rootfs。
代码[7]:如果real_root_dev在 linuxrc中重新设成Root_RAM0,则initrd就是最终的realfs了,改变当前目录到initrd中,不作后续处理直接返回。
代码[8]:在linuxrc执行完后,realfs设备已经确定,调用mount_root函数将realfs挂载到root_fs的 /root目录下,并将当前目录设置为/root。
代码[9]:后面的代码主要是做一些收尾的工作,将initrd的内存盘释放。
到此代码分析完毕。
6.结束语
通过本文前半部分对cpio-initrd和imag-initrd的阐述与对比以及后半部分的代码分析,我相信读者对Linux 2.6内核的initrd技术有了一个较为全面的了解。在本文的最后,给出两点最重要的结论:
1. 尽管Linux2.6既支持cpio-initrd,也支持image-initrd,但是cpio-initrd有着更大的优势,在使用中我们应该优先考虑使用cpio格式的initrd。
2.
cpio-initrd相对于image-initrd承担了更多的初始化责任,这种变化也可以看作是内核代码的用户层化的一种体现,我们在其它的诸如
FUSE等项目中也看到了将内核功能扩展到用户层实现的尝试。精简内核代码,将部分功能移植到用户层必然是linux内核发展的一个趋势。
阅读(775) | 评论(0) | 转发(0) |