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一文搞懂Linux内核initrd和Debian实例

news 来源：原创 2024/11/17 1:38:07

init/main.c中的start_kernel函数完成了所有的全局特性初始化，这些全局特性包括内核运转所需要的基础设施，比如虚拟内存设施，进程调度设施，中断设施，缓存设施，VFS设施等，接下来启动1号进程的内核部分，在start_kernel的最后rest_init函数中启动之：

static void noinline rest_init(void)
{
    kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
    numa_default_policy();
    unlock_kernel();
     cpu_idle();
}

因此init/main.c中的init内核线程函数即是1号进程的内核部分，它完成内核的另一部分初始化之后即exec到1号进程的用户态，从此一直到关机或者重启，不再返回内核态，实际上exec本质上替换了进程地址空间，也就无从返回了。

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init函数主要进行另一部分的初始化，涉及驱动，网络协议栈，以及为1号进程用户态即init进程准备环境，其中最为重要的就是populate_rootfs函数，在启动initrd的情况下，最为重要的是它将initrd的内存写到了一个文件当中或者直接将initrd的内容写到整个rootfs：

1.将内容写到文件：

fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 700);
if (fd >= 0) {
    sys_write(fd, (char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start); //将initrd的内容写入文件
    sys_close(fd);
    free_initrd_mem(initrd_start, initrd_end); //释放initrd原始内容所占用的内存
}

2.将内容直接放到rootfs：根据rootfs和initrd的内存地址信息直接写。

可见sys_open调用创建了一个文件，即/initrd.image，它的内容就是initrd内存盘的内容，可是它在/下被创建，在linux中，所有的文件都要有一个“文件系统”作为载体，这个/目录所在的文件系统是什么呢？其实是一个内存盘，在start_kernel中的vfs_caches_init负责初始化文件系统，也就是VFS，这是一个虚拟文件系统的框架，其实现如下：

void __init vfs_caches_init(unsigned long mempages)
{
    unsigned long reserve;

    /* Base hash sizes on available memory, with a reserve equal to
           150% of current kernel size */

    reserve = min((mempages - nr_free_pages()) * 3/2, mempages - 1);
    mempages -= reserve;

    names_cachep = kmem_cache_create("names_cache", PATH_MAX, 0,
            SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
    filp_cachep = kmem_cache_create("filp", sizeof(struct file), 0,
            SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, filp_ctor, filp_dtor);
    dcache_init(mempages);
    inode_init(mempages);
    files_init(mempages);
    mnt_init(mempages);
    bdev_cache_init();
    chrdev_init();
}
在mnt_init中初始化了一个rootfs：
int __init init_rootfs(void)
{
    return register_filesystem(&rootfs_fs_type);
}

在mnt_init中初始化了一个rootfs：

int __init init_rootfs(void)
{
    return register_filesystem(&rootfs_fs_type);
}

然后在init_mount_tree中调用do_kern_mount挂载了这个rootfs作为“根”，接下来在init函数中创建/initrd.image就有所依托了，它就是在rootfs中创建了一个文件：/initrd.image，rootfs本质上是一个内存文件系统，因为此时还没有加载任何驱动，更别说磁盘，磁带，网卡驱动了，因此文件系统也只能是内存式的。linux的vfs功能十分强大，以文件作为接口使初始化过程如此简洁！

接下来就要加载驱动了，do_basic_setup初始化了所有硬编译进内核的驱动，然而驱动并不一定要编译进内核，而这些驱动可能对于加载基于磁盘的根文件系统还至关重要，比如ide驱动，比如scsi驱动等，这些就由initrd来加载了，initrd的本质是一只鸡，也就是在有磁盘根文件系统这个“蛋”之前先要有一只“鸡”。

接下来prepare_namespace登场，我们可以看到在populate_rootfs结束后分开了两条线索：

if (sys_access((const char __user *) "/init", 0) == 0)
    execute_command = "/init";
else
    prepare_namespace();

接下来prepare_namespace登场，我们可以看到在populate_rootfs结束后分开了两条线索：

if (sys_access((const char __user *) "/init", 0) == 0)
    execute_command = "/init";
else
    prepare_namespace();

如果initrd的内容被直接写到了rootfs，那么在rootfs的/目录中会有一个init程序，它可以是ELF程序，也可以是脚本，这是因为linux_binprm这个基础设施已经初始化过了。如果/下有init的话，那么这肯定就是cpio格式的initrd，反之则是image的，这一切都是在populate_rootfs中判断的，如果是cpio格式的，那么可以看到，全局变量execute_command被赋值为/init，然后直接执行。

这样就完事了，cpio格式的initrd的/下有一个init程序，它一旦执行就使用exec进入了用户态，再也无法返回内核，最终自己将“真正的根文件系统”挂载，至于谁是真正的根，它需要命令行参数信息，这个信息是通过/proc文件系统得到的，由于内核并不处理挂载procfs的信息，这个proc文件系统需要initrd的/init程序自己挂载。而如果populate_rootfs判断不是cpio格式的，那么就会仅在/下建立一个/initrd.image文件，当然不会有/init存在了，于是就进入了prepare_namespace：

void __init prepare_namespace(void)
{
...
    if (saved_root_name[0]) {  //设置root文件系统的命令行参数，比如root=/dev/hda1
        root_device_name = saved_root_name;
        ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name); //设置ROOT_DEV
        if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
            root_device_name += 5;
    }
...
    if (initrd_load())
        goto out;
...
}
void __init prepare_namespace(void)
{
...
    if (saved_root_name[0]) {  //设置root文件系统的命令行参数，比如root=/dev/hda1
        root_device_name = saved_root_name;
        ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name); //设置ROOT_DEV
        if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
            root_device_name += 5;
    }
...
    if (initrd_load())
        goto out;
...
}