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一：前言
前段時間在編譯kernel的時候發現rootfs掛載不上。相同的root選項設置舊版的image卻可以。為了徹底解決這個問題。研究了一下rootfs的掛載過程。特總結如下,希望能給這部份知識點比較迷茫的朋友一點幫助。
二：rootfs的種類
總的來說，rootfs分為兩種：虛擬rootfs和真實rootfs.現在kernel的發展趨勢是將更多的功能放到用戶空間完成。以保持內核的精簡。虛擬rootfs也是各linux發行廠商普遍采用的一種方式。可以將一部份的初始化工作放在虛擬的rootfs里完成。然后切換到真實的文件系統.
在虛擬rootfs的發展過程中。又有以下幾個版本：
initramfs:
?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。這種這種方式的rootfs是包含在kernel image之中的.
?
cpio-initrd: cpio格式的rootfs
image-initrd:傳統格式的rootfs
關于這兩種虛擬文件系統的制作請自行參閱其它資料
?
三：rootfs文件系統的掛載過程
這里說的rootfs不同于上面分析的rootfs。這里指的是系統初始化時的根結點。即/結點。它是其于內存的rootfs文件系統。這部份之前在<< linux啟動過程分析>>和文件系統中已經分析過。為了知識的連貫性這里再重復一次。
Start_kernel()àmnt_init():
void __init mnt_init(void)
{
???????? ……
???????? ……
???????? init_rootfs();
???????? init_mount_tree();
}
?
Init_rootfs的代碼如下：
int __init init_rootfs(void)
{
???????? int err;
?
???????? err = bdi_init(&ramfs_backing_dev_info);
???????? if (err)
?????????????????? return err;
?
???????? err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);
???????? if (err)
?????????????????? bdi_destroy(&ramfs_backing_dev_info);
?
???????? return err;
}
這個函數很簡單。就是注冊了rootfs的文件系統.
init_mount_tree()代碼如下：
static void __init init_mount_tree(void)
{
???????? struct vfsmount *mnt;
???????? struct mnt_namespace *ns;
???????? struct path root;
?
???????? mnt = do_kern_mount("rootfs", 0, "rootfs", NULL);
???????? if (IS_ERR(mnt))
?????????????????? panic("Can't create rootfs");
???????? ns = kmalloc(sizeof(*ns), GFP_KERNEL);
???????? if (!ns)
?????????????????? panic("Can't allocate initial namespace");
???????? atomic_set(&ns->count, 1);
???????? INIT_LIST_HEAD(&ns->list);
???????? init_waitqueue_head(&ns->poll);
???????? ns->event = 0;
???????? list_add(&mnt->mnt_list, &ns->list);
???????? ns->root = mnt;
???????? mnt->mnt_ns = ns;
?
???????? init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
???????? get_mnt_ns(ns);
?
???????? root.mnt = ns->root;
???????? root.dentry = ns->root->mnt_root;
?
???????? set_fs_pwd(current->fs, &root);
???????? set_fs_root(current->fs, &root);
}
在這里，將rootfs文件系統掛載。它的掛載點默認為”/”.最后切換進程的根目錄和當前目錄為”/”.這也就是根目錄的由來。不過這里只是初始化。等掛載完具體的文件系統之后，一般都會將根目錄切換到具體的文件系統。所以在系統啟動之后，用mount命令是看不到rootfs的掛載信息的.
?
四：虛擬文件系統的掛載
根目錄已經掛上去了，可以掛載具體的文件系統了.
在start_kernel()àrest_init()àkernel_init():
static int __init kernel_init(void * unused)
{
???????? ……
???????? ……
???????? do_basic_setup();
if (!ramdisk_execute_command)
?????????????????? ramdisk_execute_command = "/init";
?
???????? if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
?????????????????? ramdisk_execute_command = NULL;
?????????????????? prepare_namespace();
???????? }
?
???????? /*
???????? ?* Ok, we have completed the initial bootup, and
???????? ?* we're essentially up and running. Get rid of the
???????? ?* initmem segments and start the user-mode stuff..
???????? ?*/
???????? init_post();
???????? return 0;
}
do_basic_setup()是一個很關鍵的函數，所有直接編譯在kernel中的模塊都是由它啟動的。代碼片段如下：
static void __init do_basic_setup(void)
{
???????? /* drivers will send hotplug events */
???????? init_workqueues();
???????? usermodehelper_init();
???????? driver_init();
???????? init_irq_proc();
???????? do_initcalls();
}
Do_initcalls()用來啟動所有在__initcall_start和__initcall_end段的函數，而靜態編譯進內核的modules也會將其入口放置在這段區間里。
跟根文件系統相關的初始化函數都會由rootfs_initcall（）所引用。注意到有以下初始化函數：
rootfs_initcall(populate_rootfs);
也就是說會在系統初始化的時候會調用populate_rootfs進行初始化。代碼如下：
static int __init populate_rootfs(void)
{
???????? char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
??????????????????????????? ?__initramfs_end - __initramfs_start, 0);
???????? if (err)
?????????????????? panic(err);
???????? if (initrd_start) {
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
?????????????????? int fd;
?????????????????? printk(KERN_INFO "checking if image is initramfs...");
?????????????????? err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
??????????????????????????? initrd_end - initrd_start, 1);
?????????????????? if (!err) {
??????????????????????????? printk(" it is/n");
??????????????????????????? unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
???????????????????????????????????? initrd_end - initrd_start, 0);
??????????????????????????? free_initrd();
??????????????????????????? return 0;
?????????????????? }
?????????????????? printk("it isn't (%s); looks like an initrd/n", err);
?????????????????? fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700);
?????????????????? if (fd >= 0) {
??????????????????????????? sys_write(fd, (char *)initrd_start,
?????????????????????????????????????????????? initrd_end - initrd_start);
??????????????????????????? sys_close(fd);
??????????????????????????? free_initrd();
?????????????????? }
#else
?????????????????? printk(KERN_INFO "Unpacking initramfs...");
?????????????????? err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
??????????????????????????? initrd_end - initrd_start, 0);
?????????????????? if (err)
??????????????????????????? panic(err);
?????????????????? printk(" done/n");
?????????????????? free_initrd();
#endif
???????? }
???????? return 0;
}
unpack_to_rootfs：顧名思義就是解壓包，并將其釋放至rootfs。它實際上有兩個功能，一個是釋放包，一個是查看包，看其是否屬于cpio結構的包。功能選擇是根據最后的一個參數來區分的.
在這個函數里，對應我們之前分析的三種虛擬根文件系統的情況。一種是跟kernel融為一體的initramfs.在編譯kernel的時候，通過鏈接腳本將其存放在__initramfs_start至__initramfs_end的區域。這種情況下，直接調用unpack_to_rootfs將其釋放到根目錄.如果不是屬于這種形式的。也就是__initramfs_start和__initramfs_end的值相等，長度為零。不會做任何處理。退出.
?
對應后兩種情況。從代碼中看到，必須要配制CONFIG_BLK_DEV_RAM才會支持image-initrd。否則全當成cpio-initrd的形式處理。
對于是cpio-initrd的情況。直接將其釋放到根目錄。對于是image-initrd的情況。將其釋放到/initrd.image.最后將initrd內存區域歸入伙伴系統。這段內存就可以由操作系統來做其它的用途了。
接下來，內核對這幾種情況又是怎么處理的呢？不要著急。往下看：
?
回到kernel_init()這個函數：
static int __init kernel_init(void * unused)
{
???????? …….
???????? …….
???????? do_basic_setup();
?
???????? /*
???????? ?* check if there is an early userspace init.? If yes, let it do all
???????? ?* the work
???????? ?*/
?
???????? if (!ramdisk_execute_command)
?????????????????? ramdisk_execute_command = "/init";
?
???????? if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
?????????????????? ramdisk_execute_command = NULL;
?????????????????? prepare_namespace();
???????? }
?
???????? /*
???????? ?* Ok, we have completed the initial bootup, and
???????? ?* we're essentially up and running. Get rid of the
???????? ?* initmem segments and start the user-mode stuff..
???????? ?*/
???????? init_post();
???????? return 0;
}
ramdisk_execute_command:在kernel解析引導參數的時候使用。如果用戶指定了init文件路徑，即使用了“init=”，就會將這個參數值存放到這里。
如果沒有指定init文件路徑。默認為/init
對應于前面一段的分析，我們知道，對于initramdisk和cpio-initrd的情況，都會將虛擬根文件系統釋放到根目錄。如果這些虛擬文件系統里有/init這個文件。就會轉入到init_post()。
Init_post()代碼如下：
static int noinline init_post(void)
{
???????? free_initmem();
???????? unlock_kernel();
???????? mark_rodata_ro();
???????? system_state = SYSTEM_RUNNING;
???????? numa_default_policy();
?
???????? 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);
?
???????? if (ramdisk_execute_command) {
?????????????????? run_init_process(ramdisk_execute_command);
?????????????????? printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s/n",
???????????????????????????????????? ramdisk_execute_command);
???????? }
?
???????? /*
???????? ?* We try each of these until one succeeds.
???????? ?*
???????? ?* The Bourne shell can be used instead of init if we are
???????? ?* trying to recover a really broken machine.
???????? ?*/
???????? if (execute_command) {
?????????????????? run_init_process(execute_command);
?????????????????? printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.? Attempting "
?????????????????????????????????????????????? "defaults.../n", 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.");
}
從代碼中可以看中，會依次執行指定的init文件，如果失敗，就會執行/sbin/init, /etc/init,, /bin/init,/bin/sh
注意的是，run_init_process在調用相應程序運行的時候，用的是kernel_execve。也就是說調用進程會替換當前進程。只要上述任意一個文件調用成功，就不會返回到這個函數。如果上面幾個文件都無法執行。打印出沒有找到init文件的錯誤。
對于image-hdr或者是虛擬文件系統中沒有包含 /init的情況，會由prepare_namespace()處理。代碼如下：
void __init prepare_namespace(void)
{
???????? int is_floppy;
?
???????? if (root_delay) {
?????????????????? printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device.../n",
?????????????????? ?????? root_delay);
?????????????????? ssleep(root_delay);
???????? }
?
???????? /* wait for the known devices to complete their probing */
???????? while (driver_probe_done() != 0)
?????????????????? msleep(100);
?
???????? //mtd的處理
???????? md_run_setup();
?
???????? if (saved_root_name[0]) {
?????????????????? root_device_name = saved_root_name;
?????????????????? if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3)) {
??????????????????????????? mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);
??????????????????????????? goto out;
?????????????????? }
?????????????????? ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);
?????????????????? if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
??????????????????????????? root_device_name += 5;
???????? }
?
???????? if (initrd_load())
?????????????????? goto out;
?
???????? /* wait for any asynchronous scanning to complete */
???????? if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) {
?????????????????? printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s.../n",
??????????????????????????? saved_root_name);
?????????????????? while (driver_probe_done() != 0 ||
??????????????????????????? (ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)
??????????????????????????? msleep(100);
???????? }
?
???????? is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;
?
???????? if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
?????????????????? ROOT_DEV = Root_RAM0;
?
???????? mount_root();
out:
???????? sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
???????? sys_chroot(".");
}
這里有幾個比較有意思的處理，首先用戶可以用root=來指定根文件系統。它的值保存在saved_root_name中。如果用戶指定了以mtd開始的字串做為它的根文件系統。就會直接去掛載。這個文件是mtdblock的設備文件。
否則將設備結點文件轉換為ROOT_DEV即設備節點號
然后，轉向initrd_load()執行initrd預處理后，再將具體的根文件系統掛載。
注意到，在這個函數末尾。會調用sys_mount()來移動當前文件系統掛載點到”/”目錄下。然后將根目錄切換到當前目錄。這樣，根文件系統的掛載點就成為了我們在用戶空間所看到的”/”了.
對于其它根文件系統的情況，會先經過initrd的處理。即
int __init initrd_load(void)
{
???????? if (mount_initrd) {
?????????????????? create_dev("/dev/ram", Root_RAM0);
?????????????????? /*
?????????????????? ?* Load the initrd data into /dev/ram0. Execute it as initrd
?????????????????? ?* unless /dev/ram0 is supposed to be our actual root device,
?????????????????? ?* in that case the ram disk is just set up here, and gets
?????????????????? ?* mounted in the normal path.
?????????????????? ?*/
?????????????????? if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) {
??????????????????????????? sys_unlink("/initrd.image");
??????????????????????????? handle_initrd();
??????????????????????????? return 1;
?????????????????? }
???????? }
???????? sys_unlink("/initrd.image");
???????? return 0;
}
建立一個ROOT_RAM)的設備節點，并將/initrd/.image釋放到這個節點中，/initrd.image的內容，就是我們之前分析的image-initrd。
如果根文件設備號不是ROOT_RAM0( 用戶指定的根文件系統不是/dev/ram0就會轉入到handle_initrd()
如果當前根文件系統是/dev/ram0.將其直接掛載就好了。
?
handle_initrd（）代碼如下：
static void __init handle_initrd(void)
{
???????? int error;
???????? int pid;
?
???????? real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);
???????? create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0);
???????? /* mount initrd on rootfs' /root */
???????? mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);
???????? 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 */
???????? sys_chdir("/root");
???????? sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
???????? sys_chroot(".");
?
???????? /*
???????? ?* In case that a resume from disk is carried out by linuxrc or one of
???????? ?* its children, we need to tell the freezer not to wait for us.
???????? ?*/
???????? current->flags |= PF_FREEZER_SKIP;
?
???????? pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD);
???????? if (pid > 0)
?????????????????? while (pid != sys_wait4(-1, NULL, 0, NULL))
??????????????????????????? yield();
?
???????? current->flags &= ~PF_FREEZER_SKIP;
?
???????? /* move initrd to rootfs' /old */
???????? sys_fchdir(old_fd);
???????? sys_mount("/", ".", NULL, MS_MOVE, NULL);
???????? /* switch root and cwd back to / of rootfs */
???????? sys_fchdir(root_fd);
???????? sys_chroot(".");
???????? sys_close(old_fd);
???????? sys_close(root_fd);
?
???????? if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) {
?????????????????? sys_chdir("/old");
?????????????????? return;
???????? }
?
???????? ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev);
???????? mount_root();
?
???????? 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);
?????????????????? if (error == -ENOENT)
??????????????????????????? printk("/initrd does not exist. Ignored./n");
?????????????????? else
??????????????????????????? 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");
???????? }
}
先將/dev/ram0掛載，而后執行/linuxrc.等其執行完后。切換根目錄，再掛載具體的根文件系統.
到這里。文件系統掛載的全部內容就分析完了.
?
五：小結
在本小節里。分析了根文件系統的掛載流程。并對幾個虛擬根文件系統的情況做了詳細的分析。理解這部份，對我們構建linux嵌入式開發系統是很有幫助的.
?
PS:參考資料：ibm技術論壇的<<Linux2.6 內核的 Initrd 機制解析>>?????????????????
附根文件系統掛載流程圖
)/(1-e^(-jw))=e^(-j2w)*sin(5w/2)/sin(w/2)的證明過程)
