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Linux2.6 內核的 Initrd 機制解析

    1.什麼是 Initrd

    initrd 的英文含義是 boot loader initialized RAM disk,就是由 boot loader 初始化的內存盤。在 Linux內核啟動前, boot loader 會將存儲介質中的 initrd 文件加載到內存,內核啟動時會在訪問真正的根文件系統前先訪問該內存中的 initrd 文件系統。在 boot loader 配置了 initrd 的情況下,內核啟動被分成了兩個階段,第一階段先執行 initrd 文件系統中的"某個文件",完成加載驅動模塊等任務,第二階段才會執行真正的根文件系統中的 /sbin/init 進程。這裡提到的"某個文件",Linux2.6 內核會同以前版本內核的不同,所以這裡暫時使用了"某個文件"這個稱呼,後面會詳細講到。第一階段啟動的目的是為第二階段的啟動掃清一切障愛,最主要的是加載根文件系統存儲介質的驅動模塊。我們知道根文件系統可以存儲在包括IDE、SCSI、USB在內的多種介質上,如果將這些設備的驅動都編譯進內核,可以想象內核會多麼龐大、臃腫。

    Initrd 的用途主要有以下四種:

    1. linux 發行版的必備部件

    linux 發行版必須適應各種不同的硬件架構,將所有的驅動編譯進內核是不現實的,initrd 技術是解決該問題的關鍵技術。Linux 發行版在內核中只編譯了基本的硬件驅動,在安裝過程中通過檢測系統硬件,生成包含安裝系統硬件驅動的 initrd,無非是一種即可行又靈活的解決方案。

    2. livecd 的必備部件

    同 linux 發行版相比,livecd 可能會面對更加復雜的硬件環境,所以也必須使用 initrd.

    3. 制作 Linux usb 啟動盤必須使用 initrd

    usb 設備是啟動比較慢的設備,從驅動加載到設備真正可用大概需要幾秒鐘時間。如果將 usb 驅動編譯進內核,內核通常不能成功訪問 usb 設備中的文件系統。因為在內核訪問 usb 設備時, usb 設備通常沒有初始化完畢。所以常規的做法是,在 initrd 中加載 usb 驅動,然後休眠幾秒中,等待 usb設備初始化完畢後再掛載 usb 設備中的文件系統。

    4. 在 linuxrc 腳本中可以很方便地啟用個性化 bootsplash.

    2.Linux2.4內核對 Initrd 的處理流程

    為了使讀者清晰的了解Linux2.6內核initrd機制的變化,在重點介紹Linux2.6內核initrd之前,先對linux2.4內核的initrd進行一個簡單的介紹。Linux2.4內核的initrd的格式是文件系統鏡像文件,本文將其稱為image-initrd,以區別後面介紹的linux2.6內核的cpio格式的initrd. linux2.4內核對initrd的處理流程如下:

    1. boot loader把內核以及/dev/initrd的內容加載到內存,/dev/initrd是由boot loader初始化的設備,存儲著initrd.

    2. 在內核初始化過程中,內核把 /dev/initrd 設備的內容解壓縮並拷貝到 /dev/ram0 設備上。

    3. 內核以可讀寫的方式把 /dev/ram0 設備掛載為原始的根文件系統。

    4. 如果 /dev/ram0 被指定為真正的根文件系統,那麼內核跳至最後一步正常啟動。

    5. 執行 initrd 上的 /linuxrc 文件,linuxrc 通常是一個腳本文件,負責加載內核訪問根文件系統必須的驅動, 以及加載根文件系統。

    6. /linuxrc 執行完畢,真正的根文件系統被掛載。

    7. 如果真正的根文件系統存在 /initrd 目錄,那麼 /dev/ram0 將從 / 移動到 /initrd.否則如果 /initrd 目錄不存在, /dev/ram0 將被卸載。

    8. 在真正的根文件系統上進行正常啟動過程 ,執行 /sbin/init. linux2.4 內核的 initrd 的執行是作為內核啟動的一個中間階段,也就是說 initrd 的 /linuxrc 執行以後,內核會繼續執行初始化代碼,我們後面會看到這是 linux2.4 內核同 2.6 內核的 initrd 處理流程的一個顯著區別。

   

    3.Linux2.6 內核對 Initrd 的處理流程

    linux2.6 內核支持兩種格式的 initrd,一種是前面第 3 部分介紹的 linux2.4 內核那種傳統格式的文件系統鏡像-image-initrd,它的制作方法同 Linux2.4 內核的 initrd 一樣,其核心文件就是 /linuxrc.另外一種格式的 initrd 是 cpio 格式的,這種格式的 initrd 從 linux2.5 起開始引入,使用 cpio 工具生成,其核心文件不再是 /linuxrc,而是 /init,本文將這種 initrd 稱為 cpio-initrd.盡管 linux2.6 內核對 cpio-initrd和 image-initrd 這兩種格式的 initrd 均支持,但對其處理流程有著顯著的區別,下面分別介紹 linux2.6 內核對這兩種 initrd 的處理流程。

    cpio-initrd 的處理流程

    1. boot loader 把內核以及 initrd 文件加載到內存的特定位置。

    2. 內核判斷initrd的文件格式,如果是cpio格式。

    3. 將initrd的內容釋放到rootfs中。

    4. 執行initrd中的/init文件,執行到這一點,內核的工作全部結束,完全交給/init文件處理。

    image-initrd的處理流程

    1. boot loader把內核以及initrd文件加載到內存的特定位置。

    2. 內核判斷initrd的文件格式,如果不是cpio格式,將其作為image-initrd處理。

    3. 內核將initrd的內容保存在rootfs下的/initrd.image文件中。

    4. 內核將/initrd.image的內容讀入/dev/ram0設備中,也就是讀入了一個內存盤中。

    5. 接著內核以可讀寫的方式把/dev/ram0設備掛載為原始的根文件系統。

    6. .如果/dev/ram0被指定為真正的根文件系統,那麼內核跳至最後一步正常啟動。

    7. 執行initrd上的/linuxrc文件,linuxrc通常是一個腳本文件,負責加載內核訪問根文件系統必須的驅動, 以及加載根文件系統。

    8. /linuxrc執行完畢,常規根文件系統被掛載

    9. 如果常規根文件系統存在/initrd目錄,那麼/dev/ram0將從/移動到/initrd.否則如果/initrd目錄不存在, /dev/ram0將被卸載。

    10. 在常規根文件系統上進行正常啟動過程 ,執行/sbin/init.

    通過上面的流程介紹可知,Linux2.6內核對image-initrd的處理流程同linux2.4內核相比並沒有顯著的變化, cpio-initrd的處理流程相比於image-initrd的處理流程卻有很大的區別,流程非常簡單,在後面的源代碼分析中,讀者更能體會到處理的簡捷。

    4.cpio-initrd同image-initrd的區別與優勢

    沒有找到正式的關於cpio-initrd同image-initrd對比的文獻,根據筆者的使用體驗以及內核代碼的分析,總結出如下三方面的區別,這些區別也正是cpio-initrd的優勢所在:

    cpio-initrd的制作方法更加簡單

    cpio-initrd的制作非常簡單,通過兩個命令就可以完成整個制作過程

#假設當前目錄位於准備好的initrd文件系統的根目錄下 bash# find . cpio -c -o > ../initrd.img bash# gzip ../initrd.img

    而傳統initrd的制作過程比較繁瑣,需要如下六個步驟

#假設當前目錄位於准備好的initrd文件系統的根目錄下 bash# dd if=/dev/zero of=../initrd.img bs=512k count=5 bash# mkfs.ext2 -F -m0 ../initrd.img bash# mount -t ext2 -o loop ../initrd.img /mnt bash# cp -r * /mnt bash# umount /mnt bash# gzip -9 ../initrd.img

    本文不對上面命令的含義作細節的解釋,因為本文主要介紹的是linux內核對initrd的處理,對上面命令不理解的讀者可以參考相關文檔。

    cpio-initrd的內核處理流程更加簡化

    通過上面initrd處理流程的介紹,cpio-initrd的處理流程顯得格外簡單,通過對比可知cpio-initrd的處理流程在如下兩個方面得到了簡化:

    1. cpio-initrd並沒有使用額外的ramdisk,而是將其內容輸入到rootfs中,其實rootfs本身也是一個基於內存的文件系統。這樣就省掉了ramdisk的掛載、卸載等步驟。

    2. cpio-initrd啟動完/init進程,內核的任務就結束了,剩下的工作完全交給/init處理;而對於image-initrd,內核在執行完/linuxrc進程後,還要進行一些收尾工作,並且要負責執行真正的根文件系統的/sbin/init.通過圖1可以更加清晰的看出處理流程的區別:

圖1內核對cpio-initrd和image-initrd處理流程示意圖

cpio-initrd的職責更加重要

    如圖1所示,cpio-initrd不再象image-initrd那樣作為linux內核啟動的一個中間步驟,而是作為內核啟動的終點,內核將控制權交給cpio-initrd的/init文件後,內核的任務就結束了,所以在/init文件中,我們可以做更多的工作,而不比擔心同內核後續處理的銜接問題。當然目前linux發行版的cpio-initrd的/init文件的內容還沒有本質的改變,但是相信initrd職責的增加一定是一個趨勢。

 

5.linux2.6內核initrd處理的源代碼分析

    上面簡要介紹了Linux2.4內核和2.6內核的initrd的處理流程,為了使讀者對於Linux2.6內核的initrd的處理有一個更加深入的認識,下面將對Linuxe2.6內核初始化部分同initrd密切相關的代碼給予一個比較細致的分析,為了講述方便,進一步明確幾個代碼分析中使用的概念:

    rootfs: 一個基於內存的文件系統,是linux在初始化時加載的第一個文件系統,關於它的進一步介紹可以參考文獻[4]。

    initramfs: initramfs同本文的主題關系不是很大,但是代碼中涉及到了initramfs,為了更好的理解代碼,這裡對其進行簡單的介紹。Initramfs是在 kernel 2.5中引入的技術,實際上它的含義就是:在內核鏡像中附加一個cpio包,這個cpio包中包含了一個小型的文件系統,當內核啟動時,內核將這個cpio包解開,並且將其中包含的文件系統釋放到rootfs中,內核中的一部分初始化代碼會放到這個文件系統中,作為用戶層進程來執行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了內核的初始化代碼,而且使得內核的初始化過程更容易定制。Linux 2.6.12內核的 initramfs還沒有什麼實質性的東西,一個包含完整功能的initramfs的實現可能還需要一個緩慢的過程。對於initramfs的進一步了解可以參考文獻[1][2][3]。

    cpio-initrd: 前面已經定義過,指linux2.6內核使用的cpio格式的initrd。

    image-initrd: 前面已經定義過,專指傳統的文件鏡像格式的initrd。

    realfs: 用戶最終使用的真正的文件系統。

    內核的初始化代碼位於 init/main.c 中的 static int init(void * unused)函數中。同initrd的處理相關部分函數調用層次如下圖,筆者按照這個層次對每一個函數都給予了比較詳細的分析,為了更好的說明,下面列出的代碼中刪除了同本文主題不相關的部分:

圖2 initrd相關代碼的調用層次關系圖

    init函數是內核所有初始化代碼的入口,代碼如下,其中只保留了同initrd相關部分的代碼。

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."); }

    代碼[1]:populate_rootfs函數負責加載initramfs和cpio-initrd,對於populate_rootfs函數的細節後面會講到。

    代碼[2]:如果rootfs的根目錄下中包含/init進程,則賦予execute_command,在init函數的末尾會被執行。否則執行prepare_namespace函數,initrd是在該函數中被加載的。

    代碼[3]:將控制台設置為標准輸入,後續的兩個sys_dup(0),則復制標准輸入為標准輸出和標准錯誤輸出。

    代碼[4]:如果rootfs中存在init進程,就將後續的處理工作交給該init進程。其實這段代碼的含義是如果加載了cpio-initrd則交給cpio-initrd中的/init處理,否則會執行realfs中的init.讀者可能會問:如果加載了cpio-initrd, 那麼realfs中的init進程不是沒有機會運行了嗎?確實,如果加載了cpio-initrd,那麼內核就不負責執行realfs的init進程了,而是將這個執行任務交給了cpio-initrd的init進程。解開fedora core4的initrd文件,會發現根目錄的下的init文件是一個腳本,在該腳本的最後一行有這樣一段代碼:

……….. switchroot --movedev /sysroot

    就是switchroot語句負責加載realfs,以及執行realfs的init進程。

    對cpio-initrd的處理

    對cpio-initrd的處理位於populate_rootfs函數中。

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_WRONLYO_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); } }

    代碼[1]:加載initramfs, initramfs位於地址__initramfs_start處,是內核在編譯過程中生成的,initramfs的是作為內核的一部分而存在的,不是 boot loader加載的。前面提到了現在initramfs沒有任何實質內容。

    代碼[2]:判斷是否加載了initrd.無論哪種格式的initrd,都會被boot loader加載到地址initrd_start處。

    代碼[3]:判斷加載的是不是cpio-initrd.實際上 unpack_to_rootfs有兩個功能一個是釋放cpio包,另一個就是判斷是不是cpio包, 這是通過最後一個參數來區分的, 0:釋放 1:查看。

    代碼[4]:如果是cpio-initrd則將其內容釋放出來到rootfs中。

    代碼[5]:如果不是cpio-initrd,則認為是一個image-initrd,將其內容保存到/initrd.image中。在後面的image-initrd的處理代碼中會讀取/initrd.image.

    對image-initrd的處理在prepare_namespace函數裡,包含了對image-initrd進行處理的代碼,相關代碼如下:

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 (); }

    代碼[1]:執行initrd_load函數,將initrd載入,如果載入成功的話initrd_load函數會將realfs的根設置為當前目錄。

    代碼[2]:將當前目錄即realfs的根mount為Linux VFS的根。initrd_load函數執行完後,將真正的文件系統的根設置為當前目錄。

    initrd_load函數負責載入image-initrd,代碼如下:

 

 

 

 

 

 

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; }

代碼[1]:如果加載initrd則建立一個ram0設備 /dev/ram。

代碼[2]:/initrd.image文件保存的就是image-initrd,rd_load_image函數執行具體的加載操作,將image-nitrd的文件內容釋放到ram0裡。判斷ROOT_DEV!=Root_RAM0的含義是,如果你在grub或者lilo裡配置了 root=/dev/ram0 ,則實際上真正的根設備就是initrd了,所以就不把它作為initrd處理 ,而是作為realfs處理。

handle_initrd()函數負責對initrd進行具體的處理,代碼如下:

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函數的主要功能是執行initrd的linuxrc文件,並且將realfs的根目錄設置為當前目錄。

    代碼[1]:real_root_dev,是一個全局變量保存的是realfs的設備號。

    代碼[2]:調用mount_block_root函數將initrd文件系統掛載到了VFS的/root下。

    代碼[3]:提取rootfs的根的文件描述符並將其保存到root_fd.它的作用就是為了在chroot到initrd的文件系統,處理完initrd之後要,還能夠返回rootfs.返回的代碼參考代碼[7].

    代碼[4]:chroot進入initrd的文件系統。前面initrd已掛載到了rootfs的/root目錄。

    代碼[5]:執行initrd的linuxrc文件,等待其結束。

    代碼[6]:initrd處理完之後,重新chroot進入rootfs.

    代碼[7]:如果real_root_dev在 linuxrc中重新設成Root_RAM0,則initrd就是最終的realfs了,改變當前目錄到initrd中,不作後續處理直接返回。

    代碼[8]:在linuxrc執行完後,realfs設備已經確定,調用mount_root函數將realfs掛載到root_fs的 /root目錄下,並將當前目錄設置為/root.

    代碼[9]:後面的代碼主要是做一些收尾的工作,將initrd的內存盤釋放。

    到此代碼分析完畢。

    6.結束語

    通過本文前半部分對cpio-initrd和imag-initrd的闡述與對比以及後半部分的代碼分析,我相信讀者對Linux 2.6內核的initrd技術有了一個較為全面的了解。在本文的最後,給出兩點最重要的結論:

    1. 盡管Linux2.6既支持cpio-initrd,也支持image-initrd,但是cpio-initrd有著更大的優勢,在使用中我們應該優先考慮使用cpio格式的initrd.

    2. cpio-initrd相對於image-initrd承擔了更多的初始化責任,這種變化也可以看作是內核代碼的用戶層化的一種體現,我們在其它的諸如FUSE等項目中也看到了將內核功能擴展到用戶層實現的嘗試。精簡內核代碼,將部分功能移植到用戶層必然是linux內核發展的一個趨勢。




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