Linux2.6 內核的 Initrd 機制解析

1．什麼是 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內核啓動前， boot loader 會將存儲介質中的 initrd 文件加載到內存，內核啓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，內核啓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，第二階段纔會執行真正的根文件系統中的 /sbin/init 進程。這裏提到的"某個文件"，Linux2.6 內核會同以前版本內核的不同，所以這裏暫時使用了"某個文件"這個稱呼，後面會詳細講到。第一階段啓動的目的是爲第二階段的啓動掃清一切障愛，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，可以想象內核會多麼龐大、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 可能會面對更加複雜的硬件環境，所以也必須使用 initrd。

3. 製作 Linux usb 啓動盤必須使用 initrd

usb 設備是啓動比較慢的設備，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。因爲在內核訪問 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，然後休眠幾秒中，等待 usb設備初始化完畢後再掛載 usb 設備中的文件系統。

4. 在 linuxrc 腳本中可以很方便地啓用個性化 bootsplash。

2．Linux2.4內核對 Initrd 的處理流程

爲了使讀者清晰的瞭解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，本文將其稱爲image-initrd，以區別後面介紹的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，存儲着initrd。

2. 在內核初始化過程中，內核把 /dev/initrd 設備的內容解壓縮並拷貝到 /dev/ram0 設備上。

3. 內核以可讀寫的方式把 /dev/ram0 設備掛載爲原始的根文件系統。

4. 如果 /dev/ram0 被指定爲真正的根文件系統，那麼內核跳至最後一步正常啓動。

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，那麼 /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啓動過程，執行 /sbin/init。 linux2.4 內核的 initrd 的執行是作爲內核啓動的一箇中間階段，也就是說 initrd 的 /linuxrc 執行以後，內核會繼續執行初始化代碼，我們後面會看到這是 linux2.4 內核同 2.6 內核的 initrd 處理流程的一個顯著區別。

3．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，它的製作方法同 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 稱爲 cpio-initrd。儘管 linux2.6 內核對 cpio-initrd和 image-initrd 這兩種格式的 initrd 均支持，但對其處理流程有着顯著的區別，下面分別介紹 linux2.6 內核對這兩種 initrd 的處理流程。

cpio-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。

image-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，如果不是cpio格式，將其作爲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．接着內核以可讀寫的方式把/dev/ram0設備掛載爲原始的根文件系統。

6． .如果/dev/ram0被指定爲真正的根文件系統，那麼內核跳至最後一步正常啓動。

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，那麼/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啓動過程，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內核相比並沒有顯著的變化， cpio-initrd的處理流程相比於image-initrd的處理流程卻有很大的區別，流程非常簡單，在後面的源代碼分析中，讀者更能體會到處理的簡捷。

4．cpio-initrd同image-initrd的區別與優勢

沒有找到正式的關於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的製作方法更加簡單

cpio-initrd的製作非常簡單，通過兩個命令就可以完成整個製作過程

#假設當前目錄位於準備好的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的製作過程比較繁瑣，需要如下六個步驟

#假設當前目錄位於準備好的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 -m 0 ../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，因爲本文主要介紹的是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。

cpio-initrd的內核處理流程更加簡化

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並沒有使用額外的ramdisk,而是將其內容輸入到rootfs中，其實rootfs本身也是一個基於內存的文件系統。這樣就省掉了ramdisk的掛載、卸載等步驟。

2． cpio-initrd啓動完/init進程，內核的任務就結束了，剩下的工作完全交給/init處理；而對於image-initrd，內核在執行完/linuxrc進程後，還要進行一些收尾工作，並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：

圖1內核對cpio-initrd和image-initrd處理流程示意圖

cpio-initrd的職責更加重要

如圖1所示，cpio-initrd不再象image-initrd那樣作爲linux內核啓動的一箇中間步驟，而是作爲內核啓動的終點，內核將控制權交給cpio-initrd的/init文件後，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，而不比擔心同內核後續處理的銜接問題。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。

5．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，爲了使讀者對於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緻的分析，爲了講述方便，進一步明確幾個代碼分析中使用的概念：

rootfs: 一個基於內存的文件系統，是linux在初始化時加載的第一個文件系統。

initramfs: initramfs同本文的主題關係不是很大，但是代碼中涉及到了initramfs，爲了更好的理解代碼，這裏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，當內核啓動時，內核將這個cpio包解開，並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，作爲用戶層進程來執行。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製。Linux 2.6.12內核的 initramfs還沒有什麼實質性的東西，一個包含完整功能的initramfs的實現可能還需要一個緩慢的過程。

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於 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，爲了更好的說明，下面列出的代碼中刪除了同本文主題不相關的部分：

圖2 initrd相關代碼的調用層次關係圖

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，對於populate_rootfs函數的細節後面會講到。

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]：將控制檯設置爲標準輸入，後續的兩個sys_dup(0),則複製標準輸入爲標準輸出和標準錯誤輸出。

代碼[4]：如果rootfs中存在init進程，就將後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, 那麼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,那麼內核就不負責執行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，在該腳本的最後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

對cpio-initrd的處理位於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位於地址__initramfs_start處，是內核在編譯過程中生成的，initramfs的是作爲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，這是通過最後一個參數來區分的， 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,則認爲是一個image-initrd，將其內容保存到/initrd.image中。在後面的image-initrd的處理代碼中會讀取/initrd.image。

對image-initrd的處理在prepare_namespace函數裏，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的根設置爲當前目錄。

代碼[2]：將當前目錄即realfs的根mount爲Linux VFS的根。initrd_load函數執行完後，將真正的文件系統的根設置爲當前目錄。

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裏。判斷ROOT_DEV!=Root_RAM0的含義是，如果你在grub或者lilo裏配置了 root=/dev/ram0 ,則實際上真正的根設備就是initrd了，所以就不把它作爲initrd處理，而是作爲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，並且將realfs的根目錄設置爲當前目錄。

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的根的文件描述符並將其保存到root_fd。它的作用就是爲了在chroot到initrd的文件系統，處理完initrd之後要，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處理完之後，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，不作後續處理直接返回。

代碼[8]：在linuxrc執行完後，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，並將當前目錄設置爲/root。

代碼[9]：後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。

6．結束語

通過本文前半部分對cpio-initrd和imag-initrd的闡述與對比以及後半部分的代碼分析，我相信讀者對Linux 2.6內核的initrd技術有了一個較爲全面的瞭解。在本文的最後，給出兩點最重要的結論：

1．儘管Linux2.6既支持cpio-initrd，也支持image-initrd，但是cpio-initrd有着更大的優勢，在使用中我們應該優先考慮使用cpio格式的initrd。

2． cpio-initrd相對於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。

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