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轉自IBM開發者網站
李 大治 (dazhi.li@gmail.com), 軟件工程師
Linux 的 initrd 技術是一個非常普遍使用的機制，linux2.6 內核的 initrd 的文件格式由原來的文件系統鏡像文件轉變成了 cpio 格式，變化不僅反映在文件格式上， linux 內核對這兩種格式的 initrd 的處理有著截然的不同。本文首先介紹了什么是 initrd 技術，然后分別介紹了 Linux2.4 內核和 2.6 內核的 initrd 的處理流程。最后通過對 Linux2.6 內核的 initrd 處理部分代碼的分析，使讀者可以對 initrd 技術有一個全面的認識。為了更好的閱讀本文，要求讀者對 Linux 的 VFS 以及 initrd 有一個初步的了解。
．什么是 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。這里提到的"某個文件"，Linux2.6 內核會同以前版本內核的不同，所以這里暫時使用了"某個文件"這個稱呼，后面會詳細講到。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 以想象內核會多么龐大、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，然后休眠幾秒中，等待 usb設備初始化完畢后再掛載 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。
．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，以區別后面介紹 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 設備的內容解壓縮并拷貝到 /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，那么內核跳至最后一步正常啟動。
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，那么 /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 執行以后，內核會繼續執行初始化代碼，我們后面會看到這是 linux2.4 內核同 2.6 內核的 initrd 處理流程的一個顯著區別。
．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。
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。
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，那么內核跳至最后一步正常啟動。
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，那么/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內核相比并沒有顯著的變化， cpio-initrd的處理流程相比于image-initrd的處理流程卻有很大的區別，流程非常簡單，在后面的源代碼分析中，讀者更能體會到處理的簡捷。
．cpio-initrd同image-initrd的區別與優勢
沒有找到正式的關于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
?
#假設當前目錄位于準備好的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
#假設當前目錄位于準備好的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。
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并沒有使用額外的ramdisk,而是將其內容輸入到rootfs中，其實rootfs本身也是一個基于內存的文件系統。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；而對于image-initrd，內核在執行完 /linuxrc進程后，還要進行一些收尾工作，并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：
1內核對cpio-initrd和image-initrd處理流程示意圖
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文件后，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，而不比擔心同內核后續處理的銜接問題。 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。
．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，為了使讀者對于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: 一個基于內存的文件系統，是linux在初始化時加載的第一個文件系統,關于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，這里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，并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
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于 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：
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，對于populate_rootfs函數的細節后面會講到。
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]：將控制臺設置為標準輸入，后續的兩個sys_dup(0),則復制標準輸入為標準輸出和標準錯誤輸出。
代碼[4]：如果rootfs中存在init進程，就將后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, 那么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,那么內核就不負責執行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，在該腳本的最后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的處理位于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_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);
???????????????? }
}
?
代碼[1]：加載initramfs， initramfs位于地址__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， 這是通過最后一個參數來區分的， 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。在后面的image-initrd的處理代碼中會讀取/initrd.image。
對image-initrd的處理 在prepare_namespace函數里，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函數執行完后，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里。判斷ROOT_DEV!=Root_RAM0的含義是，如果你在grub或者lilo里配置了 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，并且將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的根的文件描述符并將其保存到root_fd。它的作用就是為了在chroot到initrd的文件系統，處理完initrd之后要，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處理完之后，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，不作后續處理直接返回。
代碼[8]：在linuxrc執行完后，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，并將當前目錄設置為/root。
代碼[9]：后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。
?
?
．結束語
通過本文前半部分對cpio-initrd和imag-initrd的闡述與對比以及后半部分的代碼分析，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。在本文的最后，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相對于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。
從下面三篇文章中，可以獲得更多的關于initramfs的知識：
[1]http://tree.celinuxforum.org/pubwiki/moin.cgi/EarlyUserSpace
[2]http://lwn.net/Articles/14776/
[3]http://www.ussg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0211.0/0341.html
從下面這篇文章中讀者可以了解到關于linux VSF、rootfs的相關知識：
[4] http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-vfs/
下面是一些initrd的參考資料：
[5] http://www.die.net/doc/linux/man/man4/initrd.4.html
[6] http://www.gd-linux.org/bbs/archive/index.php/t-1661.html
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