Linux内核启动之根文件系统挂载

一、基本概念介绍

1.1 rootfs

什么是根文件系统？理论上说一个嵌入式设备如果内核能运行起来，且不需要用户进程的话(估计这种情况很少)，是不需要文件系统的。文件系统简单的说就是一种目录结构，由于linux操作系统的设备在系统中是以文件的形式存在，将这些文件分类管理以及提供和内核交互的接口，就形成了一定的目录结构也就是文件系统。文件系统是为用户反映系统的一种形式，为用户提供一个检测控制系统的接口。

而根文件系统，就是一种特殊的文件系统。那么根文件系统和普通的文件系统有什么区别呢？

借用书上的话说就是，根文件系统就是内核启动时挂载的第一个文件系统。由于根文件系统是启动时挂载的第一个文件系统，那么根文件系统就要包括linux启动时所必须的目录和关键性的文件，例如linux启动时都需要有用户进程init对应的文件，在linux挂载分区时一定要会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序，如 /bin目录下的命令等。任何linux启动时所必须的文件的文件系统都可以称为根文件系统。

根文件系统，对应/目录节点，分为虚拟rootfs和真实rootfs。

1.1.1 虚拟rootfs

虚拟rootfs由内核自己创建和加载，仅仅存在于内存之中，其文件系统是tmpfs类型或者ramfs类型。

1.1.2 真实rootfs

真实rootfs则是指根文件系统存在于存储设备上，内核在启动过程中会在虚拟rootfs上挂载这个存储设备，然后将/目录节点切换到这个存储设备上，这样存储设备上的文件系统就会被作为根文件系统使用。

1.2 initrd

initrd总的来说目前有两种格式：image格式和cpio格式。

当系统启动的时候，bootloader会把initrd文件读到内存中，然后把initrd文件在内存中的起始地址和大小传递给内核；

• 可以通过bootargs参数initrd指定其地址范围；
• 也可以通过备树dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地址范围；

内核在启动初始化过程中会解压缩initrd文件，然后将解压后的initrd挂载为根目录，然后执行根目录中的/linuxrc脚本；

• cpio格式的initrd为/init；
• image格式的initrd为/initrc；，

我们可以在这个脚本中加载真实文件系统。这样，就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中来。

1.2.1 image-initrd

image-initrd是将一块内存当作物理磁盘，然后在上面载入文件系统，比如我们在《Rockchip RK3399 - busybox 1.36.0制作根文件系统》制作的ramdisk文件系统就是就属于这一种。

1.2.1.1 内核ramdisk配置

为了能够使用ramdisk，内核必须要支持ramdisk，即：在编译内核时，要选中如下配置；

Device Drivers  ---> 
     [*] Block devices  --->
          <*>   RAM block device support
          (1)     Default number of RAM disks
        (131072) Default RAM disk size (kbytes)

配置完成，会在.config生成如下配置：

CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=131072

同时为了让内核有能力在内核加载阶段就能装入ramdisk，并运行其中的内容，要选中：

General setup  ---> 
    [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

会在配置文件中定义CONFIG_BLK_DEV_INITRD。

1.2.1.2 启动参数

在uboot启动内核时指定根文件系统的位置；修改uboot启动参数bootargs中的root属性为root=/dev/ram0，表示根目录挂载点为/dev/ram0块设备；

假设ramdisk.gz文件被加载到内存指定位置0x42000000。修改bootargs加入如下配置：

initrd=0x42000000,0x14000000

initrd参数格式为：地址,长度，这里设备RAM地址为0x42000000起始，只要是在内核RAM物理地址空间内。长度这里只要比ramdisk.gz压缩包大小大就可以了。

1.2.1.3 挂载方式

当系统启动的时候，bootloader会把image-initrd文件读到内存中，内核将image-initrd保存在rootfs下的initrd.image中， 并将其读入/dev/ram0中，根据root是否等于/dev/ram0做不同的处理；

• root != /dev/ram0：bootloader - >kernel -> image-initrd(加载访问real rootfs的必备驱动) -> /linuxrc 脚本(加载real rootfs),内核卸载/dev/ram0，释放initrd内存，最后内核启动init进程(/sbin/init)；
• root = /dev/ram0：bootloader -> kernel -> image initrd直接将/dev/ram0作为根文件系统, 内核启动init进程/sbin/init。

1.2.2 cpio-initrd

特指使用cpio格式创建的initrd映像，和编译进内核的initramfs格式是一样的，只不过它是独立存在的，也被称为外部initramfs，

1.2.2.1 内核配置

需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了：

General setup  ---> 
    [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

1.2.2.2 启动参数

通过备树dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地址范围；

chosen {
	linux,initrd-start=xxxxxx
	linux,initrd-end=xxxxxx
}

1.2.2.3 挂载方式

当系统启动的时候，bootloader会把cpio-initrd文件读到内存中，内核将cpio-initrd释放到rootfs，结束内核对cpio-initrd的操作。

bootloader -> kernel -> cpio-initrd(加载访问real rootfs的必备驱动等)-> /init脚本(加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。

1.3 initramfs

在linux 2.5内核开始引入initramfs技术，是一个基于ram的文件系统，只支持cpio格式。

它的作用和cpio-initrd类似，initramfs和内核一起编译到了一个新的镜像文件。

initramfs被链接进了内核中特殊的数据段.init.ramfs上，其中全局变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址。内核启动时会对.init.ramfs段中的数据进行解压，然后使用它作为临时的根文件系统。

1.3.1 内核配置

要制作这样的内核，我们只需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了：

General setup  ---> 
    [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
(/opt/filesystem) Initramfs source file(s)

其中/opt/filesystem就是根目录，这里可以使一个现成的gzip压缩的cpio，也可以使一个目录。

1.3.2 挂载方式

initramfs和cpio-initrd的区别, initramfs是将cpio rootfs编译进内核，而cpio-initrd中cpio rootfs是不编译入内核，是外部的。其挂载方式和cpio-initrd是一致的。

当系统启动的时候，内核将initramfs释放到rootfs，结束内核对initramfs的操作。

bootloader -> kernel -> initramfs(加载访问real rootfs的必备驱动等)-> /init脚本(加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。

二、源码分析

内核有关根文件系统挂载的调用链路如下：

start_kernel
	vfs_caches_init()
		mnt_init()
    		// 创建虚拟根文件系统
			init_rootfs()
				register_filesystem(&rootfs_fs_type)
				init_ramfs_fs
					register_filesystem(&ramfs_fs_type)
    		// 注册根文件系统
			init_mount_tree()
	rest_init
		kernel_init
			kernel_init_freeable
				if(!ramdisk_execute_command)
					ramdisk_execute_command="/"
				do_basic_setup
					do_initcalls
						populate_rootfs
							unpack_to_rootfs
		run_init_process(ramdisk_execute_command)

2.1 VFS的注册

首先不得不从linux系统的函数start_kernel说起。函数start_kernel中会去调用vfs_caches_init来初始化VFS，函数位于fs/dcache.c；

void __init vfs_caches_init(void)
{
        names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,
                        SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);

        dcache_init();
        inode_init();
        files_init();
        files_maxfiles_init();
        mnt_init();
        bdev_cache_init();
        chrdev_init();
}

函数mnt_init会创建一个rootfs，这是个虚拟的rootfs，即内存文件系统，后面还会指向真实的文件系统。

2.1.1 mnt_init

mnt_init函数位于fs/namespace.c：

void __init mnt_init(void)
{
        int err;

        mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct mount),
                        0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);

        mount_hashtable = alloc_large_system_hash("Mount-cache",
                                sizeof(struct hlist_head),
                                mhash_entries, 19,
                                HASH_ZERO,
                                &m_hash_shift, &m_hash_mask, 0, 0);
        mountpoint_hashtable = alloc_large_system_hash("Mountpoint-cache",
                                sizeof(struct hlist_head),
                                mphash_entries, 19,
                                HASH_ZERO,
                                &mp_hash_shift, &mp_hash_mask, 0, 0);

        if (!mount_hashtable || !mountpoint_hashtable)
                panic("Failed to allocate mount hash table\n");

        kernfs_init();

        err = sysfs_init();
        if (err)
                printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
                        __func__, err);
        fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
        if (!fs_kobj)
                printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
    	// 创建虚拟根文件系统
        init_rootfs();
    	// 注册根文件系统
        init_mount_tree();
}

2.1.2 init_rootfs

init_rootfs定义在init/do_mounts.c；

static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
        .name           = "rootfs",
        .mount          = rootfs_mount,
        .kill_sb        = kill_litter_super,
};

int __init init_rootfs(void)
{
        int err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);

        if (err)
                return err;

        if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && !saved_root_name[0] &&
                (!root_fs_names || strstr(root_fs_names, "tmpfs"))) {
                err = shmem_init();
                is_tmpfs = true;
        } else {
                err = init_ramfs_fs();
        }

        if (err)
                unregister_filesystem(&rootfs_fs_type);

        return err;
}

2.1.3 init_mount_tree

init_mount_tree函数位于fs/namespace.c：

static void __init init_mount_tree(void)
{
        struct vfsmount *mnt;
        struct mnt_namespace *ns;
        struct path root;
        struct file_system_type *type;

        type = get_fs_type("rootfs");
        if (!type)
                panic("Can't find rootfs type");
    	// 创建虚拟文件系统
        mnt = vfs_kern_mount(type, 0, "rootfs", NULL);
        put_filesystem(type);
        if (IS_ERR(mnt))
                panic("Can't create rootfs");

        ns = create_mnt_ns(mnt);
        if (IS_ERR(ns))
                panic("Can't allocate initial namespace");

        init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
        get_mnt_ns(ns);

        root.mnt = mnt;
        root.dentry = mnt->mnt_root;
        mnt->mnt_flags |= MNT_LOCKED;

        set_fs_pwd(current->fs, &root);
    	// 将当前的文件系统配置为根文件系统
        set_fs_root(current->fs, &root);
}

可能有人会问，为什么不直接把真实的文件系统配置为根文件系统？

答案很简单，内核中没有根文件系统的设备驱动，如usb、eMMC等存放根文件系统的设备驱动，而且即便你将根文件系统的设备驱动编译到内核中，此时它们还尚未加载，其实所有的驱动是由在后面的kernel_init线程进行加载，所以需要initrd/initramfs。

2.2 VFS的挂载

参考文章

[1] linux内核启动initramfs与initrd及其挂载

[2] 嵌入式软件开发之------浅析linux根文件系统挂载(九)

[3] 根文件系统的含义和相关重要概念以及加载代码分析