解析linux根文件系统的挂载过程

小咪咪 2022-08-13 13:53 205阅读 0赞

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<< linux启动过程分析>>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) < 0)

printk(KERN\_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\\n");

(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 < 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.

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.

PS:参考资料：ibm技术论坛的<<Linux2.6 内核的 Initrd 机制解析>>

附根文件系统挂载流程图

![080805155529.jpg][]

[080805155529.jpg]: http://blogimg.chinaunix.net/blog/upfile2/080805155529.jpg

解析linux根文件系统的挂载过程

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