深度解析Linux根文件系统的挂载过程

在前面的文章中介绍《Linux操作系统启动过程》,而Linux系统的根文件系统(root file system)的挂载过程则是其中一个重要环节,下面这部分内容来自于网络,经整理分享如下,希望能给这部份知识点比较迷茫的朋友一点帮助。

一、rootfs的种类

总的来说,rootfs分为两种:虚拟rootfs真实rootfs。现在kernel的发展趋势是将更多的功能放到用户空间完成。以保持内核的精简。虚拟rootfs也是各linux发行厂商普遍采用的一种方式。可以将一部份的初始化工作放在虚拟的rootfs里完成。然后切换到真实的文件系统。
在虚拟rootfs的发展过程中。又有以下几个版本:

  • initramfs: Initramfs是在 kernel 2.5中引入的技术,实际上它的含义就是:在内核镜像中附加一个cpio包,这个cpio包中包含了一个小型的文件系统,当内核启动时,内核将这个cpio包解开,并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中,内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中,作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码,而且使得内核的初始化过程更容易定制。这种这种方式的rootfs是包含在kernel image之中的。

  • cpio-initrd: cpio格式的rootfs
  • image-initrd: 传统格式的rootfs
二、rootfs文件系统的挂载过程

这里说的rootfs不同于上面分析的rootfs。这里指的是系统初始化时的根结点。即/结点。它是其于内存的rootfs文件系统。这部份之前在>和文件系统中已经分析过。为了知识的连贯性这里再重复一次。

[code lang=”c”]
Start_kernel()àmnt_init():
void __init mnt_init(void)
{
……
……
init_rootfs();
init_mount_tree();
}[/code]

Init_rootfs的代码如下:

[code lang=”c”]
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;
}[/code]

这个函数很简单,就是注册了rootfs的文件系统。
init_mount_tree()代码如下:

[code lang=”c”]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);
}[/code]

在这里,将rootfs文件系统挂载。它的挂载点默认为”/”.最后切换进程的根目录和当前目录为”/”.这也就是根目录的由来。不过这里只是初始化。等挂载完具体的文件系统之后,一般都会将根目录切换到具体的文件系统。所以在系统启动之后,用mount命令是看不到rootfs的挂载信息的.

三、虚拟文件系统的挂载

根目录已经挂上去了,可以挂载具体的文件系统了.
在start_kernel()àrest_init()àkernel_init():

[code lang=”c”]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;
}[/code]

do_basic_setup()是一个很关键的函数,所有直接编译在kernel中的模块都是由它启动的。代码片段如下:

[code lang=”c”]static void __init do_basic_setup(void)
{
/* drivers will send hotplug events */
init_workqueues();
usermodehelper_init();
driver_init();
init_irq_proc();
do_initcalls();
}[/code]

Do_initcalls()用来启动所有在__initcall_start和__initcall_end段的函数,而静态编译进内核的modules也会将其入口放置在这段区间里。
跟根文件系统相关的初始化函数都会由rootfs_initcall()所引用。注意到有以下初始化函数:

[code lang=”c”]rootfs_initcall(populate_rootfs);[/code]

也就是说会在系统初始化的时候会调用populate_rootfs进行初始化。代码如下:

[code lang=”c”]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;
}[/code]

unpack_to_rootfs:顾名思义就是解压包,并将其释放至rootfs。它实际上有两个功能,一个是释放包,一个是查看包,看其是否属于cpio结构的包。功能选择是根据最后的一个参数来区分的.
在这个函数里,对应我们之前分析的三种虚拟根文件系统的情况。一种是跟kernel融为一体的initramfs.在编译kernel的时候,通过链接脚本将其存放在__initramfs_start至__initramfs_end的区域。这种情况下,直接调用unpack_to_rootfs将其释放到根目录.如果不是属于这种形式的。也就是__initramfs_start和__initramfs_end的值相等,长度为零。不会做任何处理。退出.

对应后两种情况。从代码中看到,必须要配制CONFIG_BLK_DEV_RAM才会支持image-initrd。否则全当成cpio-initrd的形式处理。
对于是cpio-initrd的情况。直接将其释放到根目录。对于是image-initrd的情况。将其释放到/initrd.image.最后将initrd内存区域归入伙伴系统。这段内存就可以由操作系统来做其它的用途了。
接下来,内核对这几种情况又是怎么处理的呢?不要着急。往下看:

回到kernel_init()这个函数:

[code lang=”c”]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;
}[/code]

ramdisk_execute_command:在kernel解析引导参数的时候使用。如果用户指定了init文件路径,即使用了“init=”,就会将这个参数值存放到这里。
如果没有指定init文件路径。默认为/init
对应于前面一段的分析,我们知道,对于initramdisk和cpio-initrd的情况,都会将虚拟根文件系统释放到根目录。如果这些虚拟文件系统里有/init这个文件。就会转入到init_post()。
Init_post()代码如下:

[code lang=”c”]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)
(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.");
}[/code]

从代码中可以看中,会依次执行指定的init文件,如果失败,就会执行/sbin/init, /etc/init, /bin/init, /bin/sh
注意的是,run_init_process在调用相应程序运行的时候,用的是kernel_execve。也就是说调用进程会替换当前进程。只要上述任意一个文件调用成功,就不会返回到这个函数。如果上面几个文件都无法执行。打印出没有找到init文件的错误。
对于image-hdr或者是虚拟文件系统中没有包含 /init的情况,会由prepare_namespace()处理。代码如下:

[code lang=”c”]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的处理
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(".");
}[/code]

这里有几个比较有意思的处理,首先用户可以用root=来指定根文件系统。它的值保存在saved_root_name中。如果用户指定了以mtd开始的字串做为它的根文件系统。就会直接去挂载。这个文件是mtdblock的设备文件。
否则将设备结点文件转换为ROOT_DEV即设备节点号
然后,转向initrd_load()执行initrd预处理后,再将具体的根文件系统挂载。
注意到,在这个函数末尾。会调用sys_mount()来移动当前文件系统挂载点到”/”目录下。然后将根目录切换到当前目录。这样,根文件系统的挂载点就成为了我们在用户空间所看到的”/”了.
对于其它根文件系统的情况,会先经过initrd的处理。即

[code lang=”c”]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;
}[/code]

建立一个ROOT_RAM)的设备节点,并将/initrd/.image释放到这个节点中,/initrd.image的内容,就是我们之前分析的image-initrd。
如果根文件设备号不是ROOT_RAM0( 用户指定的根文件系统不是/dev/ram0就会转入到handle_initrd()
如果当前根文件系统是/dev/ram0.将其直接挂载就好了。

handle_initrd()代码如下:

[code lang=”c”]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
error = fd;
} else {
error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0);
sys_close(fd);
}
printk(!error ? "okay\n" : "failed\n");
}
}[/code]

先将/dev/ram0挂载,而后执行/linuxrc.等其执行完后。切换根目录,再挂载具体的根文件系统.
到这里。文件系统挂载的全部内容就分析完了.

四、小结

在本小节里。分析了根文件系统的挂载流程。并对几个虚拟根文件系统的情况做了详细的分析。理解这部份,对我们构建linux嵌入式开发系统是很有帮助的.

五、参考资料

IBM技术论坛的附根文件系统挂载流程图:

网友评论comments

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  1. t.k.说道:

    还记得以前自己写过一篇把内核源码编译并用busybox制作initrd,把内核在虚拟机里跑起来:
    http://www.thoughts-of.me/index.php?id=246
    觉得自己实践一下比看代码更能加深理解。
    不过看了博主的也很有启发,从代码层次。

    • Guang说道:

      这个问题请ibusybox参与交流,呵呵~
      PS:我看了你的博客,技术性很强,但排版对读者要求较高哦,找你的评论框都找了N久。。

  2. 大湿说道:

    看来博主对linux的源码研究很深,我也在看linux代码,只不过我是看的头文件,我通过头文件中的数据结构大概猜想他是如何实现的,我把这些想法在我写的OS中实现,感觉也还行。我觉得不能一味的去跟随linux的思想,能把从linux里获得的东西用到自己的工程上才更有意义。一起努力吧!

    • Guang说道:

      虽然我工作中几乎每天都和Linux打交道,但对内核方面倒是没有怎么研究过,这篇文章可以方便我们更好的去理解系统根分区挂接的过程,TekTea这里倒是另外有几个Linux高手: ibusybox, Alex,你们多切磋啊~~

  3. 淡淡淡说道:

    好吧,不错的内容,我也在用Linux,看了这篇文章:http://www.veryarm.com/1491.html,有来看你的文章,讲得都很不错!

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