---- 整理自 王利涛老师 课程
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上一篇不迷路： 06-07 - 文件系统（下）

15. 根文件系统

15.1 根文件系统的基本概念

• 什么是根文件系统？
• 根文件系统和一般文件系统有什么区别？
• 为什么需要根文件系统？
• 根文件系统的目录
• VFS 和根文件系统是什么关系？
• 如何指定根文件系统？

15.2 挂载根文件系统的三种方式

15.3 根文件系统的挂载

15.3.1 rootfs 文件系统的概念

• rootfs 的作用
  • 子文件系统挂载到父文件系统上，那么最上层文件系统挂载到哪里？根文件系统肯定是挂载到根目录上，根目录是哪里来的？这就是 rootfs 的作用，在挂载根文件系统之前，完成一些基本环境的初始化，后续才能去挂载我们真正的根文件系统。
• 为什么不直接挂载分区，而先使用 rootfs？
• rootfs 和根文件系统是什么关系？
  • 不是一个概念
• rootfs 和根目录的关系？
• 第一个根目录 “ / ” 何时创建的？

rootfs 文件系统设置了自己的根目录和当前目录为 " / "。

15.3.2 root= 参数分析

• root=/dev/mmcblk0 挂载 SD 卡为根文件系统
• root=/dev/nfs 挂载NFS为根文件系统：根据 root 参数挂载指定的根文件系统
• noinitrd 启动参数
• init=/linuxrc 启动

回到这里的代码：

我们当前进程的当前目录 current->pwd 设置为了 "/root" 目录。但是当前进程的根目录 current->root 还是 "/" 。

再回到代码的这里：

init_mount 改变挂载点，NFS 文件系统本来挂载在"/root" 目录，现在移动到根目录 “/”，如图中的红色虚线。
init_chroot 将当前目录也就是 “/root” 设置为根目录 “/”，如图中的红色实线。这样，NFS 就成了根文件系统。

15.3.3 根目录“ / ”

• 作用是什么？
• 什么时候初始化的？
• 根文件系统和根目录是什么关系？
• rootfs 的根目录： /
• NFS 的根目录 ：/root -> vfsmount->mnt_root
• 一个系统中允许多个 ”/” 吗？
• 根目录可以切换吗？

16. 使用 initrd 作为根文件系统：CPIO 格式

initrd 总的来说目前有两种格式：image 格式和 cpio 格式。image 格式也叫文件系统镜像文件(老式块设备的 initrd 文件)，主要在 linux 2.4 内核中使用流行；在linux 2.5 内核开始引入 initramfs 技术，initramfs 实际上已经克服了 imgae-initrd 的缺点，本质上也是 cpio 格式的 initrd，只不过是和内核编译到了一个 image 文件，放在了 .init.ramfs 段内；到 linux 2.6 的内核支持两种格式的 initrd，即 image-initrd 和 cpio-initrd，此时的 cpio-initrd 文件已不再编译进内核而单独成一文件，使用 cpio 工具生成。https://blog.51cto.com/u_15064644/4817854

16.1 initrd 和 ramdisk

• 什么是 ramdisk？
• 什么是 initrd?
• 为什么会有 initrd？
• Linux 内核在初始化之后会启动一个 init 进程，在这个 init 进程中挂载根文件系统，但是 init 进程的二进制 bin 文件是存储在文件系统中的，所以这就有了先有鸡还是先有蛋的问题。为了解决这个问题，内核采用了两步走的方法：除了内核镜像外，还有一个独立的 initrd.img 镜像，内核会先 mount 这个镜像作为根文件系统，然后执行 initrd 中的 /linuxrc 或者 /init 来挂载真正的根文件系统。
• initrd 和 ramdisk 的关系，其实就像系统备份镜像和 C 盘的关系，普通的根文件系统数据（包括二进制文件、脚本、配置文件、目录等）是存放在磁盘中的，因为 ramdisk 是在内存中模拟的一块磁盘设备，断电后数据不会永久保存，所以我们需要一个备份镜像保存在磁盘上，在系统启动时，将备份数据镜像加载到内存中的 ramdisk 中就可以了，而 initrd 就是根文件系统的备份镜像，为了节省体积，还会支持各种压缩格式，加载到内核中再解压。
• 如何制作 initrd 镜像？
  通过 ramdisk
  通过 loopback
  cpio 格式：find . | cpio -o -H newc | gzip -c > ../initrd.gz
• 如何设置 root、initrd 参数挂载 initrd？
  root=
  initrd=
  rdinit=/linuxrc

16.2 内核配置

因为 initrd 基于 ramdisk 实现，所以内核需要支持 initrd 和 ramdisk 功能。

注：ramdisk 大小设置为了 4M，下面会用到。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_defconfig -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- uImage LOADADDR=0x60003000 -j$(nproc)

16.3 uboot 配置

使用 initrd 作为根文件系统，需要在启动参数中指定，然后传输给内核，在嵌入式系统中，一般可以通过 uboot 的 bootcmd 和 bootargs 来传递。

tftp 0x60003000 uImage;tftp 0x60500000 vexpress-v2p-ca9.dtb;tftp 0x62000000 initrd.gz;setenv bootargs 'initrd=0x62000000,4M root=/dev/ram0 rw rdinit=/linuxrc console=ttyAMA0';bootm 0x60003000 - 0x60500000;

16.4 制作 initrd 镜像

1. 基于之前的 NFS 镜像文件制作 initrd 镜像，NFS 镜像文件如下，大小为 26M，大于 4M。

2. 先拷贝一份 NFS 的镜像文件，然后删除其中 lib 目录下的库文件，只保留 libc 库。

3. find . | cpio -o -H newc | gzip -c > ../initrd.gz

4. 加载 initrd 结果。

16.5 initrd 挂载过程分析

find . | cpio -o -H newc | gzip -c > ../initrd.gz

16.5.1 CPIO initrd 挂载过程分析

do_initcalls 就会执行到如下函数：

16.5.2 rdinit=/linuxrc 的启动

回到前面：

17. 使用 initrd 作为文件系统：ramdisk 格式

• 制作一个 ramdisk 镜像
• ramdisk 格式的 initrd 挂载过程分析
• 使用 initrd 的优点、缺点: page cache \ 地址空间

需要修改 boot 配置中的 bootcmd 参数：

# 将之前的 initrd.gz 改成 initrd
CONFIG_BOOTCOMMAND="tftp 0x60003000 uImage;tftp 0x60500000 vexpress-v2p-ca9.dtb;tftp 0x62000000 initrd;setenv bootargs 'initrd=0x62000000,4M root=/dev/ram0 rw rdinit=/linuxrc console=ttyAMA0';bootm 0x60003000 - 0x60500000;"

前面过程一样，一直走到这里：

18. 使用 initramfs 作为根文件系统

• 相比 initrd（一种 cpio 制作的，一种传统 ramdisk 方式制作的），initramfs 的优势有哪些？
• 启动参数
  • root：initramfs 作为根文件系统，root、init 不用设置，只需要指定文件系统的源目录就可以了
  • 文件系统中默认要有一个 init 文件

18.1 initramfs 配置挂载过程

• 使用 initramfs 的内核配置
  使用之前创建的 ramdisk 路径，同时将路径下的 linux 更名为 init 。然后再开始编译内核。

• 使用 initramfs 的 u-boot 编译配置

tftp 0x60003000 uImage;tftp 0x60800000 vexpress-v2p-ca9.dtb;setenv bootargs 'console=ttyAMA0';bootm 0x60003000 - 0x60800000;

18.2 initramfs 挂载过程分析

• initramfs 的挂载过程分析
• Linkscript: arch/arm/kernel/vmlinux.lds
• Head file: include/asm-generic/vmlinux.lds.h
• Makefile: usr/Makefile

前面过程和之前章节一样：

这里着重分析一下两个参数：__initramfs_start 和 __initramfs_size

19. 基于内存的文件系统：tmpfs

• 内存的文件系统
  • ramfs VS ramdisk
  • ramfs VS tmpfs
• tmpfs 的优点：
  • 快、不用格式化、动态调整大小、扩展性好
• tmpfs 的实现：linux-5.10.4/mm/shmem.c
• tmpfs 的应用领域
  • 临时目录、临时文件
• tmpfs 的挂载：mount -t tmpfs -o size=4m tmpfs /tmp

20. 文件系统的自动挂载

• 文件系统挂载方式
  • 内核挂载、启动参数、自动挂载
• 根文件系统的常用目录
• 启动脚本
• 文件系统的自动挂载

注意：实验前将文件系统还原成 NFS 配置，包括 boot 和 kernel。

21. 文件系统的性能指标

• 不同应用场景
  分布式
  服务器、PC
  消费电子
• 文件系统得到性能指标
  文件名长度、最大文件数、最大分区、最大文件大小
  挂载速度、读写速度、稳定性、日志
• 如何选型文件系统？
• 常见的文件系统
  • Windows：FAT16、FAT32、NTFS
  • Linux：ext2、ext3、ext4、btrfs、zfs
  • 光盘：ISO9660
  • 网络文件系统：SMBAFS、CIFS、NFS