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Linux2.6 内核的 Initrd 机制解析

 
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Linux的initrd技术是一个非常普遍使用的机制,linux2.6内核的initrd的文件格式由原来的文件系统镜像文件转变成了cpio格式,变化不仅反映在文件格式上,linux内核对这两种格式的initrd的处理有着截然的不同。本文首先介绍了什么是initrd技术,然后分别介绍了Linux2.4内核和2.6内核的initrd的处理流程。最后通过对Linux2.6内核的initrd处理部分代码的分析,使读者可以对initrd技术有一个全面的认识。为了更好的阅读本文,要求读者对Linux的VFS以及initrd有一个初步的了解。

1.什么是Initrd

initrd的英文含义是bootloaderinitializedRAMdisk,就是由bootloader初始化的内存盘。在linux内核启动前,bootloader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bootloader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Linuxusb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。





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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.bootloader把内核以及/dev/initrd的内容加载到内存,/dev/initrd是由bootloader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。





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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.bootloader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.bootloader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.img
bash#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#ddif=/dev/zeroof=../initrd.imgbs=512kcount=5
bash#mkfs.ext2-F-m0../initrd.img
bash#mount-text2-oloop../initrd.img/mnt
bash#cp-r*/mnt
bash#umount/mnt
bash#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
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。





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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kernel2.5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。Linux2.6.12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staticintinit(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2initrd相关代码的调用层次关系图
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。



staticintinit(void*unused){
[1] populate_rootfs();
 
[2] if(sys_access((constchar__user*)"/init",0)==0)
  execute_command="/init";
 else
  prepare_namespace();

[3] if(sys_open((constchar__user*)"/dev/console",O_RDWR,0)<0)
  printk(KERN_WARNING"Warning:unabletoopenaninitialconsole./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("Noinitfound.Trypassinginit=optiontokernel.");
}

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fedoracore4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__initpopulate_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("itis/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bootloader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bootloader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__initprepare_namespace(void){
[1] if(initrd_load())
  gotoout;

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LinuxVFS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__initinitrd_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();
   return1;
  }
 }
 sys_unlink("/initrd.image");
 return0;
}

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:



 staticvoid__inithandle_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);

 /*moveinitrdover/andchdir/chrootininitrdroot*/
[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();
 }

 /*moveinitrdtorootfs'/old*/
 sys_fchdir(old_fd);
 sys_mount("/",".",NULL,MS_MOVE,NULL);

 /*switchrootandcwdbackto/ofrootfs*/
[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"Tryingtomoveoldrootto/initrd...");
 error=sys_mount("/old","/root/initrd",NULL,MS_MOVE,NULL);
 if(!error)
  printk("okay/n");
 else{
  intfd=sys_open("/dev/root.old",O_RDWR,0);
  printk("failed/n");
  printk(KERN_NOTICE"Unmountingoldroot/n");
  sys_umount("/old",MNT_DETACH);
  printk(KERN_NOTICE"Tryingtofreeramdiskmemory...");
  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。





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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Linux2.6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。

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