一文讲解Linux内核中根文件系统挂载流程

根文件系统的概念

根文件系统是控制权从linux内核转移到用户空间的一个桥梁。linux内核就类似于一个黑匣子，只向用户提供各种功能的接口，但是功能的具体实现不可见，用户程序通过对这些功能接口的不同整合实现不同的功能需求。以用户的角度来说，应用程序调用内核的接口实现不同的功能，此时系统的控制权在用户手中，但是实际上却是先有内核的初始化提供这些接口，用户才可以使用这些接口的，也就是系统的控制权最初应该属于内核。那么控制权是如何从内核转交到用户的呢？通过调用init程序实现，而一般把存在init程序的文件系统称之为根文件系统。

文件系统是基于物理存储设备至上的一种机制，用于存储空间的管理，并维护文件内容与磁盘单元之间的对应关系，便于对文件内容的访问。由前面所述，init程序存储在文件系统之中，如果需要访问init程序必须能够识别对应文件系统的格式(通过挂载实现)，而文件系统又建立在物理存储设备之上，所以需要物理存储设备的驱动程序已准备就绪。

文件系统的挂载需要提供挂载点(挂载目录)，linux内核在初始化时会初始化一个虚拟的“/”目录用于根文件系统的挂载，其初始化过程如下：

start_kernel
	vfs_caches_init()
		mnt_init()
			init_rootfs()
				register_filesystem(&rootfs_fs_type)						//注册虚拟的rootfs文件系统
			init_mount_tree()												//创建“/”目录
		bdev_cache_init()
		chrdev_init()
	rest_init()
		kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS)
		kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

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initramfs和initrd

若init程序存在的物理磁盘设备在内核访问时已准备就绪，内核便可以直接挂载根文件系统并运行init程序，实现kernel空间到用户空间的跳转。但是用户程序可能根据不同的需要存储在诸如IDE、SCSI、USB等多种介质当中，如果将所有的驱动程序都编译进内核，将导致内核异常臃肿，因此，为了使内核适应不同的存储介质，同时不将非必要的驱动程序编译进内核，可使用一种过渡根文件系统。过渡根文件系统与linux内核存放在同一个存储设备中，因此可以直接挂载，而此时该文件系统中的init程序只是加载实际根文件系统的驱动和其他的一些初始化工作，待初始化完成，该init程序会挂载实际的根文件系统，并再次跳转到实际根文件系统中执行实际的init程序。

过渡的根文件系统根据是否直接编译进内核分为initramfs和initrd，而initrd根据文件系统的打包格式又分为cpio-initrd和image-initrd，通过cpio打包的文件系统可以直接释放到“/”，而无需挂载过程，initramfs也是cpio的打包格式。

根文件系统的整体挂载流程如下图所示：

首先，内核根据配置利用过渡根文件系统或默认设置初始化“/”目录；然后检测初始化的“/”目录中是否存在指定应用程序(默认为init程序)，如果存在，则直接执行该init程序；否则，根据配置挂载实际根文件系统。与之对应的函数流程为：

kernel_init
	kernel_init_freeable()
		do_basic_setup()
			do_initcalls()
				do_initca