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和真实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。

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Start_kernel() mnt_init(): void __init mnt_init( void) {     ……     ……     init_rootfs();     init_mount_tree(); }

Init_rootfs的代码如下：

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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; }

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：

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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():

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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：

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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：

1	rootfs_initcall(populate_rootfs);

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：

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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：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：

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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：

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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)         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. "); }

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：

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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( "."); }

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

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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：

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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：