为什么不直接把真实的文件系统配置为根文件系统？答案很简单，内核中没有真实根文件系统设备(如硬盘，USB)的驱动，而且即便你将根文件系统的设备驱动编译到内核中，此时它们还尚未加载，实际上所有内核中的驱动是由后面的kernel_init线程进行加载。另外，我们的root设备都是以设备文件的方式指定的，如果没有根文件系统，设备文件怎么可能存在呢？
注意根据调用链do_kern_mount()--->vfs_kern_mount(type)--->type->get_sb()--->fs/ramfs/inode.c:rootfs_get_sb()--->ramfs_fill_super()--->fs/dcache.c:d_alloc_root()，函数d_alloc_root分配最终的根结点，代码如下：
struct dentry * d_alloc_root(struct inode * root_inode)
{
struct dentry *res = NULL;
if (root_inode) {
static const struct qstr name = { .name = "/", .len = 1 };
res = d_alloc(NULL, &name);
if (res) {
res->d_sb = root_inode->i_sb;
res->d_parent = res;
d_instantiate(res, root_inode);
}
}
return res;
}
从上面的代码中的可以看出，这个rootfs的dentry对象的名字为"/"，这就是我们看到的根目录"/"。
start_kernel()在最后会调用rest_init()，这个函数会启动一个内核线程来运行kernel_init()，自己则调用cpu_idle()进入空闲循环，让调度器接管控制权。抢占式的调度器就可以周期性地接管控制权，从而提供多任务处理能力。
kernel_init()用于完成初始化rootfs、加载内核模块、挂载真正的根文件系统。根据Documentation/early-userspace/README的描述，目前2.6的kernel支持三方式来挂载最终的根文件系统：
(1)所有需要的设备和文件系统驱动被编译进内核，没有initrd。通过“root="参数指定的根设备，init/main.c:kernel_init()将调用prepare_namespace()直接在指定的根设备上挂载最终的根文件系统。通过可选的"init="选项，还可以运行用户指定的init程序。
(2)一些设备和文件驱动作为模块来构建并存放的initrd中。initrd被称为ramdisk，是一个独立的小型文件系统。它需要包含/linuxrc程序(或脚本)，用于加载这些驱动模块，并挂载最终的根文件系统(结合使用pivot_root系统调用)，然后initrd被卸载。initrd由prepare_namespace()挂载和运行。内核必须要使用CONFIG_BLK_DEV_RAM(支持ramdisk)和CONFIG_BLK_DEV_INITRD(支持initrd)选项进行编译才能支持initrd。
initrd文件通过在grub引导时用initrd命令指定。它有两种格式，一种是类似于linux2.4内核使用的传统格式的文件系统镜像，称之为image-initrd，它的制作方法同Linux2.4内核的initrd一样，其核心文件就是 /linuxrc。另外一种格式的initrd是cpio格式的，这种格式的initrd从linux 2.5起开始引入，使用cpio工具生成，其核心文件不再是/linuxrc，而是/init，这种 initrd称为cpio-initrd。为了向后兼容，linux2.6内核对cpio-initrd和image-initrd这两种格式的initrd 均支持，但对其处理流程有着显著的区别。cpio-initrd的处理与initramfs类似，会直接跳过prepare_namespace(),image-initrd的处理则由prepare_namespace()进行。
(3)使用initramfs。prepare_namespace()调用会被跳过。这意味着必须有一个程序来完成这些工作。这个程序是通过修改usr/gen_init_cpio.c的方式，或通过新的initrd格式(一个cpio归档文件)存放在initramfs中的，它必须是"/init"。这个程序负责prepare_namespace()所做的所有工作。为了保持向后兼容，在现在的内核中，/init程序只有是来自cpio归档的情况才会被运行。如果不是来自cpio归档，init/main.c:kernel_init()将运行prepare_namespace()来挂载最终的根文件系统，并运行一个预先定义的init程序(或者是用户通过init=指定的，或者是/sbin/init，/etc/init，/bin/init)。
initramfs是从2.5 kernel开始引入的一种新的实现机制。顾名思义，initramfs只是一种RAM filesystem而不是disk。initramfs实际是一个包含在内核映像内部的cpio归档，启动所需的用户程序和驱动模块被归档成一个文件。因此，不需要cache，也不需要文件系统。 编译2.6版本的linux内核时，编译系统总会创建initramfs，然后通过连接脚本arch\x86\kernel\vmlinux.lds.S把它与编译好的内核连接成一个文件，它被链接到地址__initramfs_start~__initramfs_end处。内核源代码树中的usr目录就是专门用于构建内核中的initramfs的。缺省情况下，initramfs是空的，X86架构下的文件大小是134个字节。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。
注意initramfs和initrd都可以是cpio包，可以压缩也可以不压缩。但initramfs是包含在内核映像中的，作为内核的一部分存在，因此它不会由bootloader(如grub)单独地加载，而initrd是另外单独编译生成的，是一个独立的文件,会由bootloader单独加载到RAM中内核空间以外的地址处。目前initramfs只支持cpio包格式，它会被populate_rootfs--->unpack_to_rootfs(&__initramfs_start, &__initramfs_end - &__initramfs_start, 0)函数解压、解析并拷贝到根目录。initramfs被解析处理后原始的cpio包(压缩或非压缩)所占的空间(&__initramfs_start - &__initramfs_end)是作为系统的一部分直接保留在系统中，不会被释放掉。而对于initrd镜像文件，如果没有在命令行中设置"keepinitd"命令，那么initrd镜像文件被处理后其原始文件所占的空间(initrd_end - initrd_start)将被释放掉。
下面看kernel_init的代码：
static int __init kernel_init(void * unused)
{
/* ......(省略) */
do_basic_setup();
/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
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);
/*
* 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;
}
kernel_init会先调用do_basic_setup，这是一个很关键的函数。在此之前CPU子系统运行起来了，内存管理和进程管理也启动了，到do_basic_setup才开始做真正实际的工作。所有直接编译在kernel中的模块都是由它启动的。代码如下：
static void __init do_basic_setup(void)
{
init_workqueues();
cpuset_init_smp();
usermodehelper_init();
init_tmpfs();
driver_init();
init_irq_proc();
do_ctors();
do_initcalls();
}
do_initcalls()用来启动所有在__initcall_start和__initcall_end段之间的函数，而静态编译进内核的模块会将其初始化函数放置在这段区间里。其中与rootfs相关的初始化函数都会由rootfs_initcall()所引用。在init/initramfs.c中就有rootfs_initcall(populate_rootfs)的引用，这是用来初始化rootfs的，因此do_initcall()最终会调用到populate_rootfs()。需要特别指出的是initramfs.c模块的入口函数populate_rootfs()是否执行取决于Kernel的编译选项，参考init/Makefile，内核编译时必须配置CONFIG_BLK_DEV_INITRD选项才会执行这个函数。代码如下：
static int __init populate_rootfs(void)
{
char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
__initramfs_end - __initramfs_start);
if (err)
panic(err); /* Failed to decompress INTERNAL initramfs */
if (initrd_start) {
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
int fd;
printk(KERN_INFO "Trying to unpack rootfs image as initramfs...\n");
err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start);
if (!err) {
free_initrd();
return 0;
} else {
clean_rootfs();
unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
__initramfs_end - __initramfs_start);
}
printk(KERN_INFO "rootfs image is not initramfs (%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...\n");
err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start);
if (err)
printk(KERN_EMERG "Initramfs unpacking failed: %s\n", err);
free_initrd();
#endif
}
return 0;
}
(1)第一行的upack_to_rootfs()用来把内核映像中的initramfs释放到rootfs。它实际上有两个功能，一个是检测是否是属于cpio包，另外一个就是解压并释放cpio包。注意如果__initramfs_start和__initramfs_end的值相等，则initramfs长度为零，unpack_to_rootfs()不会做任何处理，直接返回。
(2)if(initrd_start)判断是否加载了initrd。无论哪种格式的initrd，都会被boot loader加载到地址initrd_start处。当然，如果是initramfs的情况下，该值肯定为空了。
(3)第二个unpack_to_rootfs()把cpio-initrd镜像释放到rootfs，以此作为initramfs。这其中有/init脚本程序。
(4)如果不是cpio-initrd,则认为是一个image-initrd，将其内容保存到/initrd.image中。image-initrd由prepare_namespace()函数来处理。传统的image-initrd中使用/linuxrc脚本程序进行初始化。
回到kernel_init，接下来的工作是打开控制台设备/dev/console并设为标准输入，有���这个设备，启动信息才能显示到终端上。后续的两个sys_dup(0)是复制标准输入为标准输出和标准错误输出。然后，如果rootfs中存在init文件(用户通过rdinit=指定，或者默认的/init，保存在ramdisk_execute_command中)，说明是加载了initramfs(包括cpio-initrd的情形)，直接跳过prepare_namespace()，转向init_post()，它会调用run_init_process(ramdisk_execute_command)运行这个/init文件，替换当前进程，这样内核的工作全部结束，后续的初始化和挂载真正根文件系统的工作都交给/init程序。读者可能会问如果加载了cpio-initrd, 那么真实文件系统中的init进程不是没有机会运行了吗？确实，如果加载了cpio-initrd，那么内核就不负责执行用户空间的init进程了，而是将这个执行任务交给了cpio-initrd的init进程。
如果rootfs中没有init文件，说明是image-initrd的情形，就会转入到prepare_namespace()，这个函数加载image-initrd，并运行它的/linuxrc文件。prepare_namespace()的代码如下：
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
*
* Note: this is a potential source of long boot delays.
* For example, it is not atypical to wait 5 seconds here
* for the touchpad of a laptop to initialize.
*/
wait_for_device_probe();
md_run_setup();
if (saved_root_name[0]) {
root_device_name = saved_root_name;
if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||
!strncmp(root_device_name, "ubi", 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);
async_synchronize_full();
}
is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;
if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
ROOT_DEV = Root_RAM0;
mount_root();
out:
devtmpfs_mount("dev");
sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
sys_chroot(".");
}
(1)对于将根文件系统存放到USB或者SCSI设备上的情况，Kernel需要等待这些耗费时间比较久的设备驱动加载完毕，所以这里存在一个Delay。
(2)wait_for_device_probe()，从字面的意思来看，这里也是来等待根文件系统所在的设备探测函数的完成。
(3)用户通过“root=”指定的根设备名会被保存在saved_root_name中，如果用户指定了以mtd开始的字串做为它的根设备。就会直接调用mount_block_root()去挂载它并goto到out。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()，去加载image-initrd，执行其中的/linuxrc，挂载最终和根文件系统。
(4)initrd_load()会把/dev/ram0作为默认的根设备并把image-initrd加载到这里。如果用户通过root=指定了实际根设备(不是/dev/ram0)，则说明image-initrd只是作为临时的文件系统而存在，转向handle_initrd()，对image-initrd进行具体的处理。它执行其中的/linuxrc，挂载最终的根文件系统。
(5)如果用户没有指定根设备(或指定为默认的/dev/ram0)，说明直接把image-initrd作为最终的真实文件系统(在无盘工作站和很多嵌入式Linux系统中，initrd通常作为永久的根文件系统而存在)，prepare_namespace()会设置好ROOT_DEV为/dev/ram0，并调用mount_root()挂载这个image-initrd，作为最终的文件系统而存在。
(6)挂载完真正的根文件系统后，goto到out，将挂载点从当前目录移到"/"，并把"/"作为系统的根目录，至此虚拟文件系统切换到了实际的根文件系统。
initrd_load()的代码如下：
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;
}
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