一步步学习Linux initrd/initramfs

这是一个循序渐进、分为四个阶段的 Linux initrd/initramfs 学习计划。这个计划将引导您从基本概念入手，逐步深入到实践操作、定制化和故障排查，帮助您透彻理解这个关键的启动组件。

学习前的准备 (先决条件)

一台 Linux 虚拟机: 强烈建议使用虚拟机（如 VirtualBox, VMware, KVM）。这样您可以随意修改配置、破坏和恢复系统，而不用担心损坏您的物理机。推荐使用 CentOS/RHEL/Fedora 或 Debian/Ubuntu。
基础 Linux 命令 : 熟悉 ls, cd, cp, mv, 文件编辑 (vim, nano)，以及基本的 Shell 脚本知识。
了解 Linux 启动流程: 对从 BIOS/UEFI -> GRUB -> Kernel -> init/systemd 的基本流程有一个宏观的认识。

第一阶段：理论入门 ------ "是什么"与"为什么"

学习目标 : 理解 initrd/initramfs 的存在意义、基本工作原理以及它在 Linux 启动流程中的核心作用。

核心概念:

"鸡生蛋，蛋生鸡"问题 : 理解为什么内核需要一个临时的根文件系统。内核启动时，需要驱动程序来访问真正的根文件系统（比如 ext4, xfs），但这些驱动程序（模块 .ko 文件）本身就存放在根文件系统中。initramfs 就是为了解决这个悖论而存在的。
initrd vs initramfs :
- initrd (initial RAM disk): 早期的实现，是一个真实的文件系统镜像（如 ext2），需要内核驱动支持才能挂载。
- initramfs (initial RAM filesystem): 现代的实现，是一个 cpio 压缩归档。内核可以直接在内存中解压并使用它，无需任何文件系统驱动，效率更高，也更灵活。现在我们通常说的 initrd，实际上指的都是 initramfs。
在启动流程中的位置 :
1. BIOS/UEFI 加载引导加载程序 (Bootloader)，如 GRUB。
2. GRUB 将 Linux 内核 (vmlinuz) 和 initramfs 文件 (initramfs-....img) 加载到内存中。
3. GRUB 跳转执行内核代码。
4. 内核初始化核心硬件，然后将内存中的 initramfs 解压，并将其作为临时的根文件系统 (/)。
5. 内核执行 initramfs 中的 init 脚本（通常是 /init）。
6. init 脚本加载必要的内核模块（如 NVMe、SATA、LVM、RAID、LUKS 加密等驱动）。
7. 驱动加载后，init 脚本挂载真正的根文件系统。
8. 最后，通过 switch_root 命令，将根文件系统从临时的 initramfs 切换到真正的物理根文件系统上，并执行真正的 init 进程 (/sbin/init，即 systemd)。

实践操作:

在您的 Linux 系统中，找到内核和 initramfs 文件。它们通常位于 /boot 目录下。部分Linux可能仍然使用initrd，如SUSE。
bash 复制代码
```
ls -l /boot/vmlinuz*
ls -l /boot/initramfs*
```
查看 GRUB 的配置文件（如 /boot/grub2/grub.cfg 或 /boot/grub/grub.cfg），找到 menuentry 部分，看看它是如何指定 linux (内核) 和 initrd (initramfs 文件) 这两行配置的。

思考与验证:

尝试用自己的话解释，如果服务器的根文件系统在 LVM 或者一个特殊的 RAID 卡上，为什么 initramfs 是必需的？
initramfs 和常规的根文件系统有什么本质区别？

第二阶段：内部探秘 ------ "有什么"与"怎么生成"

学习目标 : 学会如何查看 initramfs 的内容，并了解用于创建和管理它的核心工具。

核心概念:

initramfs 的结构 : 它是一个微型的 Linux 根文件系统，包含：
- 一个 init 脚本，是整个 initramfs 阶段的执行入口。
- 必要的内核模块 (.ko 文件)，存放于 /lib/modules/。
- 一些轻量级的核心工具（通常由 busybox 或 klish 提供），如 mount, insmod, lvm, cryptsetup。
- 设备文件 (/dev) 和配置文件 (/etc)。
核心工具 :
- dracut (用于 RHEL/CentOS/Fedora 等): 一个高度模块化和可扩展的 initramfs 生成工具。
- mkinitcpio (用于 Arch Linux)。
- update-initramfs (用于 Debian/Ubuntu): mkinitramfs 的前端。
- lsinitrd (dracut 提供) 或 unmkinitramfs: 用于列出和解压 initramfs 文件的内容。
- cpio: initramfs 底层的归档工具。

实践操作:

查看 initramfs 内容 :

bash 复制代码

# 在基于 dracut 的系统上
lsinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img

# 你也可以将它解压出来细看
mkdir ~/initramfs_contents
cd ~/initramfs_contents
# 如果有 lsinitrd
lsinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img | cpio -idmv
# 或者对于 Debian/Ubuntu
# unmkinitramfs /boot/initrd.img-$(uname -r) .

进入解压后的目录 ~/initramfs_contents，用 ls -R 查看整个目录结构。
重点阅读 init 脚本 。虽然可能很长，但尝试理解它的基本逻辑：解析内核参数 -> 加载驱动 -> 寻找并挂载根分区 -> switch_root。

重新生成 initramfs :

bash 复制代码

# 在基于 dracut 的系统上 (先备份！)
sudo cp /boot/initramfs-$(uname -r).img /boot/initramfs-$(uname -r).img.bak
sudo dracut --force --verbose

# 在 Debian/Ubuntu 上 (先备份！)
sudo cp /boot/initrd.img-$(uname -r) /boot/initrd.img-$(uname -r).bak
sudo update-initramfs -u

思考与验证:

在您解压的 initramfs 中，找到了哪些与存储（sata, nvme, scsi）或文件系统（ext4, xfs, lvm）相关的内核模块？
dracut 或 update-initramfs 是如何决定哪些模块和工具应该被包含进去的？（提示：查看它们的配置文件，如 /etc/dracut.conf.d/）

第三阶段：动手定制 ------ "修改"与"扩展"

学习目标 : 学会如何向 initramfs 中添加自定义的模块、驱动或脚本，以满足特殊需求。

核心概念:

定制化的场景 :
- 添加一个内核默认没包含的第三方驱动（如特殊的网卡或存储卡驱动）。
- 嵌入一个二进制文件或脚本，在系统启动早期执行特定任务（如解密、网络配置）。
- 添加调试工具。
通过 dracut 定制 :
- 配置文件: /etc/dracut.conf 或在 /etc/dracut.conf.d/ 目录下创建 .conf 文件。
- add_drivers / force_drivers: 强制添加内核模块。
- install_items: 添加额外的文件或可执行程序。

实践操作 (以 dracut 为例):

目标 : 创建一个简单的脚本，在 initramfs 启动阶段打印一条 "Hello from custom initramfs!" 的消息，然后将其添加到 initramfs 中。

创建自定义模块目录 :

bash 复制代码

sudo mkdir -p /usr/lib/dracut/modules.d/99my-hello

创建模块控制文件 module-setup.sh :

bash 复制代码

# /usr/lib/dracut/modules.d/99my-hello/module-setup.sh
#!/bin/bash

# 检查是否需要安装此模块
check() {
    return 0
}

# 定义依赖
depends() {
    return 0
}

# 安装脚本和钩子
install() {
    # 安装一个钩子脚本到 pre-mount 阶段
    inst_hook pre-mount 99 "${moddir}/hello.sh"
}

创建钩子脚本 hello.sh :

bash 复制代码

# /usr/lib/dracut/modules.d/99my-hello/hello.sh
#!/bin/bash

echo "========================================="
echo " Hello from custom initramfs!            "
echo "========================================="
sleep 5 # 暂停5秒，方便查看

设置权限并重新生成 initramfs :

bash 复制代码

sudo chmod +x /usr/lib/dracut/modules.d/99my-hello/module-setup.sh
sudo chmod +x /usr/lib/dracut/modules.d/99my-hello/hello.sh
sudo dracut --force

重启虚拟机，在启动的早期阶段，您应该能在屏幕上看到打印出的 "Hello" 消息。

思考与验证:

如果我想让一个闭源的网卡驱动 proprietary_net.ko 在 initramfs 中就被加载，我应该如何修改 dracut 的配置？
定制 initramfs 会带来哪些潜在的风险？（如体积过大、启动变慢、引入不稳定因素）

第四阶段：故障排查 ------ "调试"与"修复"

学习目标 : 掌握 initramfs 阶段常见问题的排查方法，能够在系统无法启动时进入紧急 Shell 并进行修复。

核心概念:

常见错误 : 最经典的错误是 "Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)"。这几乎总是意味着 initramfs 中缺少必要的驱动来识别或挂载根文件系统。
rd.break : 一个非常有用的内核启动参数。它会在 initramfs 的 init 脚本执行完毕、即将 switch_root 之前中断，并提供一个交互式的 Shell。
紧急 Shell (Emergency Shell) : 在这个 Shell 中，您可以：
- 使用 lsmod 检查已加载的模块。
- 使用 modprobe 手动加载模块。
- 查看日志 (dmesg)。
- 检查设备 (ls /dev)。
- 手动执行 LVM、RAID 或 cryptsetup 命令来激活存储。

实践操作:

模拟一次故障 :
- 在您的虚拟机中，通过 dracut 的配置文件，故意排除 掉您根分区所需的驱动。例如，如果您的根分区是 ext4 on virtio_blk，可以尝试在 /etc/dracut.conf.d/ 中创建一个文件，内容为 omit_drivers+=" virtio_blk "。
- 执行 sudo dracut --force 重建 initramfs。
- 重启虚拟机。此时系统应该会启动失败，并进入 dracut 的紧急 Shell 或 panic。
使用 rd.break 进行调试 :
- 再次重启虚拟机，在 GRUB 菜单界面，按 e 编辑启动项。
- 在以 linux 或 linuxefi 开头的那一行的末尾，添加 rd.break。
- 按 Ctrl+x 或 F10 启动。
- 系统会启动并最终停在一个 switch_root:/# 的提示符下。
在紧急 Shell 中排查 :
- lsmod | grep virtio_blk (会发现没有输出)。
- modprobe virtio_blk (手动加载缺失的模块)。
- ls /dev/vda* (现在应该能看到您的磁盘设备了)。
- 此时，您可以手动 mount /dev/vdaX /sysroot，然后 exit 退出紧急 Shell，系统将继续正常启动。
修复问题 :
- 系统正常启动后，移除您之前添加的 omit_drivers 配置。
- 执行 sudo dracut --force 重新生成一个正确的 initramfs。

思考与验证:

除了 rd.break，还有哪些内核参数可以影响 initramfs 的行为？（提示: rd.shell, rd.debug）
如果在紧急 Shell 中，发现连键盘都无法使用，可能是什么原因导致的？（initramfs 中缺少 USB/HID 驱动）

完成这四个阶段的学习后，您将对 Linux 的 initramfs 有一个非常扎实和深入的理解，并具备在实际工作中分析、定制和修复相关问题的能力。