理解 initramfs

这里是 linux kernel Documentation 阅读系列第一篇，在这个系列中，我会记录每一次阅读到的 linux 内核文档。这一篇阅读的是 ramfs, rootfs and initramfs，主要是介绍 initramfs。

What is ramfs?

ramfs是 linux 中利用linux的disk caching机制（page cache 和 dentry cache）实现的可动态伸缩的基于RAM做存储的文件系统。

文件一般放在磁盘上，当需要对其读写的时候会将其加载到内存中。为了提高文件的读写效率，根据局部性原理，linux 基本上都会文件缓存到内存中。

• 当文件的数据被 OS 从后端存储读取到内存的时候，因为这段数据可能之后会被用到，并不会被马上释放，这块数据将会被标记为 clean，就是说可以被释放掉。只有当 VM 系统需要用到这块内存做其他事情的时候，这些数据才会被释放掉。
• 当有数据写到文件后，这段数据也会被标记为 clean，但是仍然保存在内存中而不释放，以用作缓存的目的。只有当 VM 系统重新申请这块内存的时候，这段数据才会被释放掉。

对于 dentry cache，linux 也有类似的机制，从而大大加快了对于目录的访问。

上述说的是我们常见文件系统的机制，对于 ramfs而言，这里根本没有所谓的后端存储。当你要向 ramfs写文件时，我们像原来一样，在内存上分配 page cache和dentry cache，但是这些 cache 不会被写到磁盘这些后端存储中 。所以，这些 cache根本不会被标记为 clean，而会一直存在于内存中，VM系统也无法回收他们的内存，重新分配做它用。

实现 ramfs需要的代码量非常的少，因为他们基本上就是依靠Linux现有的caching infastructure。对于用户而言，我们只是把一个 disk cache加载成文件系统。因此，ramfs就不是通过menuconfig可以被移去的可选模块，它底层的机制是 linux 所必须的。

下面做了一个简单的实验，这是当前系统能够看到的文件系统。

vagrant@cosmos:~$ df -a
文件系统                   1K-块      已用     可用 已用% 挂载点
sysfs                          0         0        0     - /sys
proc                           0         0        0     - /proc
udev                     1014960         0  1014960    0% /dev
devpts                         0         0        0     - /dev/pts
tmpfs                     204804      5784   199020    3% /run
/dev/sda1               10098468   1978740  8103344   20% /
tmpfs                    1024004         0  1024004    0% /dev/shm
tmpfs                       5120         0     5120    0% /run/lock
home_vagrant_workspace 244810132 199558164 45251968   82% /home/vagrant/workspace

我们可以通过下列命令自己创建 ramfs

vagrant@cosmos:~$ mkdir ramfs
vagrant@cosmos:~$ sudo mount -t ramfs -o size=10M ramfs ./ramfs/
vagrant@cosmos:~$ df -a
文件系统                   1K-块      已用     可用 已用% 挂载点
sysfs                          0         0        0     - /sys
proc                           0         0        0     - /proc
udev                     1014960         0  1014960    0% /dev
devpts                         0         0        0     - /dev/pts
tmpfs                     204804      5784   199020    3% /run
/dev/sda1               10098468   1978740  8103344   20% /
tmpfs                    1024004         0  1024004    0% /dev/shm
tmpfs                       5120         0     5120    0% /run/lock
home_vagrant_workspace 244810132 199558164 45251968   82% /home/vagrant/workspace
ramfs                          0         0        0     - /home/vagrant/ramfs
vagrant@cosmos:~$ ls -alh ramfs/
总用量 21M
drwxr-xr-x 2 root    root       0 3月  30 09:34 .
drwxr-xr-x 7 vagrant vagrant 4.0K 3月  30 09:32 ..
-rw-r--r-- 1 root    root     20M 3月  30 09:25 test.file

ramfs and ramdisk

ramdisk是比ramfs出现更早的机制，是利用 RAM 模拟生成一个块设备，以此作为文件系统的后端存储。这个块设备是固定大小的，所以它上面 mount 的文件系统也是固定大小的。和实际的块设备一样，我们需要把page cache从这块假的块设备复制到内存，然后把改变复制回去，对于 dentry cache也是一样。除此之外，它还需要文件系统驱动（比如 ext2）去格式化和解释这段数据。

相较于ramfs，ramdisk会浪费更多的内存，占用更多的内存总线带宽，给 CPU 带来更多的工作，并且污染 CPU 的 cache。相较而言，ramfs的实现机制更加简单和高效。

loopback devices是导致 ramdisk 淘汰的另一个原因，它相对于ramdisk而言提供了一种更加灵活和方便的方式来创建块设备，现在是通过文件而不是通过内存。

ramfs and tmpfs

ramfs的一个问题是，你可以一直往 ramfs里面写数据，直到你用完了所有的内存。而且 VM 系统也不能释放这段内存，因为 VM 认为这些数据应该被写到后端存储，而对于 ramfs而言他没有后端存储。因此，只有 root用户能够往 ramfs写数据。

为了解决上述问题，linux 内核开发者又发明了 tmpfs，给添加了大小的限制和普通用户写数据的权限。

特性	tmpfs	ramfs
达到空间上限时继续写入	提示错误信息并终止	可以继续写尚未分配的空间
是否固定大小	是	否
是否使用swap	是	否
具有易失性	是	是

What is rootfs?

rootfs是ramfs或者tmpfs的一种特殊实例，根文件系统包含系统启动时所必须的目录和关键性的文件，以及使其他文件系统得以挂载（mount）所必要的文件。例如：

• init进程的应用程序必须运行在根文件系统上
• 根文件系统提供了根目录“/”
• linux挂载分区时所依赖的信息存放于根文件系统/etc/fstab这个文件中
• shell命令程序必须运行在根文件系统上，譬如ls、cd等命令

一套linux体系，只有内核本身是不能工作的，必须要rootfs（上的etc目录下的配置文件、/bin /sbin等目录下的shell命令，还有/lib目录下的库文件等···）相配合才能工作。

Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。成功之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。

下面是 linux 的内核代码。rootfs是基于内存的文件系统，所有操作都在内存中完成；也没有实际的存储设备，所以不需要设备驱动程序的参与。基于以上原因，linux在启动阶段使用rootfs文件系统，当磁盘驱动程序和磁盘文件系统成功加载后，linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。

init/main.c->
  start_kernel()->
  	vfs_caches_init(totalram_pages)–>
  		mnt_init()–>
　　　　　/* sysfs用来记录和展示linux驱动模型，sysfs先于rootfs挂载是为全面展示linux驱动模型做好准备 */
　　　　　sysfs_init();
　　　　　/* mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统，然后调用kobject_create_and_add()创建fs目录 */
				fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
　　　　　/* init_rootfs()注册rootfs，然后调用init_mount_tree()挂载rootfs */
　　　　　init_rootfs();
　　　　　init_mount_tree();

下面是 init_rootfs的代码，可以看到，如果 CONFIG_TMPFS开启，rootfs 将会默认使用 tmpfs，否则使用 ramfs。

init/do_mounts.c

int __init init_rootfs(void)
{
	int err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);

	if (err)
		return err;

	if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && !saved_root_name[0] &&
		(!root_fs_names || strstr(root_fs_names, "tmpfs"))) {
		err = shmem_init();
		is_tmpfs = true;
	} else {
		err = init_ramfs_fs();
	}

	if (err)
		unregister_filesystem(&rootfs_fs_type);

	return err;
}

What is initramfs?

initramfs是一种ramfs文件系统，在内核启动完成后把它复制到rootfs中，作为内核初始的根文件系统，它的任务是挂载系统真正的根文件系统。所有的 2.6 版本的 linux 内核都包含一个gzip 压缩过的 cpio 存档，在kernel 启动的时候，将会将其解压成 rootfs。解压之后，内核将会检查 rootfs 是否有一个 init文件，如果有的话，将会执行 init程序作为 PID 为 1 的进程。在这之后，init进程将会负责其启动整个系统，包括找到并加载真正的根设备。

相对于老的 initrd机制，initramfs有以下几点区别：

• 老的 initrd总是一个独立的文件，而initramfs存档是被链接到内核镜像中去的
• 老的 initrd文件是一个 gzip 压缩过的文件系统镜像，新的 initramfs是 gzip 压缩过的 cpio存档，相对而言更简单
• 以往的基于ramdisk 的initrd 使用pivot_root命令切换到新的根文件系统，然后卸载ramdisk。但是initramfs是rootfs，而rootfs既不能pivot_root，也不能umount。为了从initramfs中切换到新根文件系统，需要作如下处理：
  • 删除rootfs的全部内容，释放空间
    find -xdev / -exec rm '{}' ';'
  • 安装新的根文件系统，并切换
    cd /newmount; mount --move . /; chroot .
  • 把stdin/stdout/stderr 附加到新的/dev/console，然后执行新文件系统的init程序

上述步骤比较麻烦，而且要解决一个重要的问题：第一步删除rootfs的所有内容也删除了所有的命令，那么后续如何再使用这些命令完成其他步骤？busybox的解决方案是，提供了switch_root命令，完成全部的处理过程，使用起来非常方便。

switch_root命令的格式是：

$ switch_root [options] <newrootdir> <init> <args to init>

• newrootdir是实际的根文件系统的挂载目录，执行switch_root命令前需要挂载到系统中
• init是实际根文件系统的init程序的路径，一般是/sbin/init；
• args to init`则是传递给实际的根文件系统的init程序的参数，也是可选的。

需要特别注意的是：switch_root命令必须由PID=1的进程调用，也就是必须由initramfs的init程序直接调用，不能由init派生的其他进程调用，否则会出错，提示：switch_root: not rootfs。也是同样的原因，init脚本调用switch_root命令必须用exec命令调用，否则也会出错，提示：switch_root: not rootfs

Contents of initramfs

An initramfs archive is a complete self-contained root filesystem for Linux.

$ cat > hello.c << EOF
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  printf("Hello world!\n");
  sleep(999999999);
}
EOF
$ gcc -static hello.c -o init
$ echo init | cpio -o -H newc | gzip > test.cpio.gz
# Testing external initramfs using the initrd loading mechanism.
$ qemu -kernel /boot/vmlinuz -initrd test.cpio.gz /dev/zero

参考资料

• https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt