图文详解Linux根文件系统

大家好，这里是物联网心球。

本文的主题是Linux根文件系统，在进入正文之前，我们先来思考一个问题：什么是Linux根文件系统？

根文件系统被认为是Linux内核启动后挂载的第一个文件系统，是Linux文件树的根，是所有绝对路径的起点。笔者认为，这种表达并不够精准。接下来，我们从内核视角出发，深入了解Linux根文件系统。

注意：本文基于内核6.10版本讲解。

1.根文件系统从何而来？

Linux用户接触到的根文件系统只是挂载在根目录（"/"）下的一个真实的文件系统 ，我们习惯把它称为真实根文件系统。内核初始化时，会挂载一个rootfs文件系统（伪文件系统，只存在内存中），rootfs是Linux内核启动后第一个挂载的文件系统，所以它才是Linux的根文件系统。

从rootfs到真实根文件系统需要经历三个环节：

• 挂载rootfs伪文件系统。
• 解析initramfs至rootfs。
• 挂载真实根文件系统（如ext4）。

图1 真实根文件系统挂载流程

真实根文件系统挂载流程如图1所示。

首先，我们来看rootfs伪文件系统的挂载流程，rootfs文件系统定义如下：

struct file_system_type rootfs_fs_type = {
    .name = "rootfs",
    .init_fs_context = rootfs_init_fs_context,
    .kill_sb = kill_litter_super,
};

我们展开rootfs_init_fs_context函数：

static int rootfs_init_fs_context(struct fs_context *fc)
{
    if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && is_tmpfs)
        return shmem_init_fs_context(fc);

    return ramfs_init_fs_context(fc);
}

发现rootfs实际上是一个**tmpfs** 或**ramfs文件系统** 实例。ramfs 和tmpfs都是 Linux系统中基于内存的文件系统。它们将数据直接存储在RAM（物理内存）中，因此读写速度极快，但数据在系统重启后会丢失。

内核启动过程会调用start_kernel函数，该函数会执行一些列初始化工作，rootfs的初始化路径为：start_kernel()->vfs_caches_init()->mnt_init()->init_mount_tree()。init_mount_tree函数将会创建rootfs挂载实例和rootfs根目录，并将这些信息记录在内核。文件系统挂载过程这里不过多展开，对文件系统挂载感兴趣的同学可以阅读这篇文章：从ext4文件系统到Linux文件树。

rootfs解决的是Linux文件树从0到1的问题，rootfs的根目录就是Linux文件树的根，后续的真实根文件系统需要挂载在rootfs的根目录。

有了根文件系统后，接下来，内核会解析initramfs至rootfs。initramfs是Linux启动过程中使用的临时文件系统，在真实根文件系统挂载前提供必要的驱动和工具。initramfs经常被当做Linux文件系统，其实它并不是真正的文件系统，内核中并没有定义该类型的文件系统。initramfs本质是一个cpio归档文件，包含了挂载真实根文件系统需要用到的所有文件。内核会对initramfs进行解析，并将解析出来的文件一个个保存在rootfs文件系统中（注意此处并不是挂载，可以理解为文件拷贝）。initramfs解析对应的初始化路径为：start_kernel()->arch_call_rest_init()->rest_init()->kernel_init()->......->do_populate_rootfs()。

initramfs解析完毕后，rootfs根目录下会有一个init脚本，init脚本将会完成真实文件系统挂载，并将系统运行环境也切换至真实文件系统。对应的初始化路径为：start_kernel()->vfs_caches_init()->rest_init()->kernel_init()->run_init_process("/init")。run_init_process函数将会执行init脚本。

2.initramfs详解

initramfs并不是真正的文件系统，它是压缩（如lz4、gzip、zstd等压缩格式）了的cpio归档文件，cpio（Copy In and Out）是一种在Unix和Linux系统中广泛使用的归档工具，用于将多个文件和目录打包成一个单独的归档文件，同时保留文件的元数据（如权限、所有者、时间戳等）。

cpio支持多种归档格式：bin、odc、newc、crc、tar等。initramfs采用的是newc格式，如图2所示。

图2 initramfs格式

initramfs由一条条文件记录构成，每条文件记录格式为：

• 文件头（110字节）
• 文件名
• 0-3字节填充
• 文件数据
• 0-3字节填充

文件头包含文件的元数据，固定大小为110字节，其格式见表1。

表1 newc文件头

为了加深大家对newc格式的理解，我们创建一个最小initramfs并打包成newc格式，测试脚本如下：

#!/bin/bash

#创建文件树
mkdir bin conf etc lib
touch etc/test.txt
#创建init脚本
echo "#!/bin/sh" > init
#打包为newc格式
find bin conf etc lib init -depth | cpio -o -H newc > initramfs.cpio

执行测试脚本后将生成一个initramfs.cpio归档文件，执行以下命令验证文件清单：

cpio -t < demo.cpio

文件清单如下：

# cpio -t < initramfs.cpio
bin
conf
etc/test.txt
etc
lib
init

执行hexdump -C initramfs.cpio查看归档文件记录，输出结果如下： 最终cpio中的文件记录将一条条被解析，并存储在rootfs文件系统中。

3./init脚本

/init脚本是initramfs的核心，它将完成以下关键任务：

• 挂载/proc, /sys, /dev等虚拟文件系统，并创建必要的设备节点。
• 加载访问存储设备和文件系统所需的内核模块。
• 挂载真实根文件系统。
• 将系统根目录切换到真实根文件系统，并启动/sbin/init进程（1号进程）。

实际的/init脚本一般都比较复杂，为了便于讲解，我们只关注根文件系统挂载相关的内容，如图3所示。

图3 /init脚本工作原理

内核调用run_init_process("/init")函数将会执行init脚本，run_init_process函数主要任务是执行用户空间的第一个进程，从而完成从内核态到用户态的切换。

真实根文件系统（如ext4）未挂载之前，系统执行文件相关的操作都是在rootfs文件系统中进行。/init脚本首先会挂载伪文件系统（proc、sysfs、devtmpfs等）至rootfs。接着，内核会读取块设备，并挂载块设备中的真实根文件系统挂载至rootfs（挂载点由用户自行定义）。最后，将已挂载的伪文件系统移动至真实根文件系统，以及执行initramfs中的switch_root命令将运行环境切换至真实根文件系统。

switch_root 命令的核心功能包括：

• 将新根目录设置为系统的根文件系统。
• 执行新根文件系统中的init程序（通常是 /sbin/init）。
• 清理并释放initramfs占用的内存空间。

switch_root语法格式如下：

switch_root [-c /dev/console] NEW_ROOT NEW_INIT [ARGUMENTS_TO_INIT]

• NEW_ROOT：已经挂载好的真正根文件系统挂载点，例如 /newroot。

• NEW_INIT：真正根文件系统中的init程序路径，通常是/sbin/init（软链接，指向init或systemd）。

• -c：可选，重定向新系统的控制台设备。

总结：

真实根文件系统启动流程分为三步：首先，挂载rootfs文件系统，创建根目录，解决文件系统从0到1的问题；接着，解析initramfs并将initramfs中的文件保存至rootfs文件系统；最后，执行initramfs中的init脚本，init脚本将完成真实根文件系统挂载。