解析linux根文件系统的挂载过程

alex.lin

原文地址：解析linux根文件系统的挂载过程 作者：fly123456789

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一：前言
前段时间在编译kernel的时候发现rootfs挂载不上。相同的root选项设置旧版的image却可以。为了彻底解决这个问题。研究了一下rootfs的挂载过程。特总结如下,希望能给这部份知识点比较迷茫的朋友一点帮助。
二：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
关于这两种虚拟文件系统的制作请自行参阅其它资料

三：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。
Start_kernel()àmnt_init():
void __init mnt_init(void)
{
         ……
         ……
         init_rootfs();
         init_mount_tree();
}

Init_rootfs的代码如下：
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：
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.

四：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():
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：
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：
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：
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：
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：
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.");
}
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：
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
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：
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");
         }
}
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.

五：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.