解析linux根文件系統的掛載過程

　　一：前言

　　前段時間在編譯kernel的時候發現rootfs掛載不上。相同的root選項設置舊版的image卻可以。為了徹底解決這個問題。研究了一下rootfs的掛載過程。特總結如下,希望能給這部份知識點比較迷茫的朋友一點幫助。

　　二：rootfs的種類

　　總的來說，rootfs分為兩種：虛擬rootfs和真實rootfs.現在kernel的發展趨勢是將更多的功能放到用戶空間完成。以保持內核的精簡。虛擬rootfs也是各linux發行廠商普遍採用的一種方式。可以將一部份的初始化工作放在虛擬的rootfs里完成。然後切換到真實的文件系統.

　　在虛擬rootfs的發展過程中。又有以下幾個版本：

　　initramfs:

　　Initramfs是在 kernel 2.5中引入的技術，實際上它的含義就是：在內核鏡像中附加一個cpio包，這個cpio包中包含了一個小型的文件系統，當內核啟動時，內核將這個cpio包解開，並且將其中包含的文件系統釋放到rootfs中，內核中的一部分初始化代碼會放到這個文件系統中，作為用戶層進程來執行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了內核的初始化代碼，而且使得內核的初始化過程更容易定製。這種這種方式的rootfs是包含在kernel image之中的.

　　cpio-initrd: cpio格式的rootfs

　　image-initrd:傳統格式的rootfs

　　關於這兩種虛擬文件系統的製作請自行參閱其它資料

　　三：rootfs文件系統的掛載過程

　　這裡說的rootfs不同於上面分析的rootfs。這裡指的是系統初始化時的根結點。即/結點。它是其於內存的rootfs文件系統。這部份之前在<< linux啟動過程分析>>和文件系統中已經分析過。為了知識的連貫性這裡再重複一次。

　　Start_kernel()àmnt_init():

　　void __init mnt_init(void)

　　{

　　……

　　……

　　init_rootfs();

　　init_mount_tree();

　　}

　　Init_rootfs的代碼如下：

　　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;

　　}

　　這個函數很簡單。就是註冊了rootfs的文件系統.

　　init_mount_tree()代碼如下：

　　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);

　　}

　　在這裡，將rootfs文件系統掛載。它的掛載點默認為」/」.最後切換進程的根目錄和當前目錄為」/」.這也就是根目錄的由來。不過這裡只是初始化。等掛載完具體的文件系統之後，一般都會將根目錄切換到具體的文件系統。所以在系統啟動之後，用mount命令是看不到rootfs的掛載信息的.

　　四：虛擬文件系統的掛載

　　根目錄已經掛上去了，可以掛載具體的文件系統了.

　　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()是一個很關鍵的函數，所有直接編譯在kernel中的模塊都是由它啟動的。代碼片段如下：

　　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()用來啟動所有在__initcall_start和__initcall_end段的函數，而靜態編譯進內核的modules也會將其入口放置在這段區間里。

　　跟根文件系統相關的初始化函數都會由rootfs_initcall()所引用。注意到有以下初始化函數：

　　rootfs_initcall(populate_rootfs);

　　也就是說會在系統初始化的時候會調用populate_rootfs進行初始化。代碼如下：

　　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：顧名思義就是解壓包，並將其釋放至rootfs。它實際上有兩個功能，一個是釋放包，一個是查看包，看其是否屬於cpio結構的包。功能選擇是根據最後的一個參數來區分的.

　　在這個函數里，對應我們之前分析的三種虛擬根文件系統的情況。一種是跟kernel融為一體的initramfs.在編譯kernel的時候，通過鏈接腳本將其存放在__initramfs_start至__initramfs_end的區域。這種情況下，直接調用unpack_to_rootfs將其釋放到根目錄.如果不是屬於這種形式的。也就是__initramfs_start和__initramfs_end的值相等，長度為零。不會做任何處理。退出.

　　對應后兩種情況。從代碼中看到，必須要配製CONFIG_BLK_DEV_RAM才會支持image-initrd。否則全當成cpio-initrd的形式處理。

　　對於是cpio-initrd的情況。直接將其釋放到根目錄。對於是image-initrd的情況。將其釋放到/initrd.image.最後將initrd內存區域歸入夥伴系統。這段內存就可以由操作系統來做其它的用途了。

　　接下來，內核對這幾種情況又是怎麼處理的呢?不要著急。往下看：

　　回到kernel_init()這個函數：

　　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解析引導參數的時候使用。如果用戶指定了init文件路徑，即使用了「init=」，就會將這個參數值存放到這裡。

　　如果沒有指定init文件路徑。默認為/init

　　對應於前面一段的分析，我們知道，對於initramdisk和cpio-initrd的情況，都會將虛擬根文件系統釋放到根目錄。如果這些虛擬文件系統里有/init這個文件。就會轉入到init_post()。

　　Init_post()代碼如下：

　　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);

　　(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.");

　　}

　　從代碼中可以看中，會依次執行指定的init文件，如果失敗，就會執行/sbin/init, /etc/init,, /bin/init,/bin/sh

　　注意的是，run_init_process在調用相應程序運行的時候，用的是kernel_execve。也就是說調用進程會替換當前進程。只要上述任意一個文件調用成功，就不會返回到這個函數。如果上面幾個文件都無法執行。列印出沒有找到init文件的錯誤。

　　對於image-hdr或者是虛擬文件系統中沒有包含 /init的情況，會由prepare_namespace()處理。代碼如下：

　　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的處理

　　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(".");

　　}

　　這裡有幾個比較有意思的處理，首先用戶可以用root=來指定根文件系統。它的值保存在saved_root_name中。如果用戶指定了以mtd開始的字串做為它的根文件系統。就會直接去掛載。這個文件是mtdblock的設備文件。

　　否則將設備結點文件轉換為ROOT_DEV即設備節點號

　　然後，轉向initrd_load()執行initrd預處理后，再將具體的根文件系統掛載。

　　注意到，在這個函數末尾。會調用sys_mount()來移動當前文件系統掛載點到」/」目錄下。然後將根目錄切換到當前目錄。這樣，根文件系統的掛載點就成為了我們在用戶空間所看到的」/」了.

　　對於其它根文件系統的情況，會先經過initrd的處理。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;

　　}

　　建立一個ROOT_RAM)的設備節點，並將/initrd/.image釋放到這個節點中，/initrd.image的內容，就是我們之前分析的image-initrd。

　　如果根文件設備號不是ROOT_RAM0( 用戶指定的根文件系統不是/dev/ram0就會轉入到handle_initrd()

　　如果當前根文件系統是/dev/ram0.將其直接掛載就好了。

　　handle_initrd()代碼如下：

　　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");

　　}

　　}

　　先將/dev/ram0掛載，而後執行/linuxrc.等其執行完后。切換根目錄，再掛載具體的根文件系統.

　　到這裡。文件系統掛載的全部內容就分析完了.

　　五：小結

　　在本小節里。分析了根文件系統的掛載流程。並對幾個虛擬根文件系統的情況做了詳細的分析。理解這部份，對我們構建linux嵌入式開發系統是很有幫助的.




摘自 http://www.ylmf.net/linux/tips/2011011221009.html

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