Linux系统Initramfs机制

news2024/11/25 0:27:41

概述

现代Linux系统都使用到了一种功能比较特殊的微型系统，作为Linux内核初始化完成但未进入最终系统时的过渡系统，主要的目的是为了将最终系统载入到根文件系统上，辅助内核启动最终系统，可以称之为“辅助系统”。

辅助系统的作用

通常，主流的Linux发行版都会把内核中一些非必要且可以编译成模块的核心功能，如SATA、SCSI等设备的驱动程序，以内核模块的方式来提供。考虑这样一个场景，如果Linux系统是安装在如SATA磁盘上，那么就需要加载SATA磁盘的驱动程序来挂载磁盘上的根文件系统，但SATA的驱动程序又是放在磁盘的文件系统上，因此通过把SATA的驱动程序放到辅助系统中，就可以灵活解决这个问题。

辅助系统实现

辅助系统存放方式目前有两种：

Initrd：Initial RAM Disk，使用传统的内存磁盘方式存放辅助系统，现在基本已经不使用这种方式了，但很多Linux发行版在/boot目录也还在继续使用Initrd这个名字；
Initramfs：Initial RAM Filesystem，使用比较现代的内存文件系统方式存放辅助系统，也是当下主流的使用方式。

Initrd

Initrd采用RAM Disk来存储辅助系统，RAM Disk模拟块设备操作，Linux内核启动过程将辅助系统的镜像文件还原到RAM Disk设备上，在RAM Disk设备上使用辅助系统必须采用文件系统，必须将镜像文件格式化Linux内核支持的文件系统，在该文件系统中存放辅助系统。
将镜像文件还原到RAM Disk设备上时需要注意RAM Disk设备的大小，镜像文件还原后的文件系统占用空间必须小于等于RAM Disk设备的空间，否则会出现还原错误。
启动器将该镜像文件从磁盘上读取并存放到内存某个特定位置上，再由Linux内核在启动过程中从内存特定位置中将镜像文件还原到RAM Disk上，默认还原的RAM Disk设备文件名为/dev/ram0，然后按照Initrd的方式启动辅助系统。
Linux内核将Initrd中的辅助系统视为过渡系统，在辅助系统执行完成后，Linux内核重新获得控制权，继续执行根文件系统中的“最终系统”。

Initramfs

Initramfs采用内存文件系统存储“辅助系统”。与Initrd方式不同，Initramfs中的系统在Linux内核中被视为“最终系统”，定义为“辅助系统”是从制作该系统目的而言的，Linux内核将辅助系统文件还原到根文件系统，内核执行该系统后就不再接管执行控制权了，执行的控制都由该系统完成。

Linux系统启动流程

Linux启动时都需要进行必要的软硬件初始化过程，然后检查是否有辅助系统被载入：

未载入辅助系统：内核根据启动器传给内核的root参数进行设备检测，找到设备后内核会尝试使用当前支持的文件系统将该设备挂载到根文件系统上，如果挂载成功，内核将运行该系统中的/sbin/init命令，完成内核的启动过程。
载入辅助系统：若启动器按照规则加载了辅助系统文件到内存中，Linux内核会根据文件格式来进行不同的启动流程。

采用“Initrd”时Linux内核的启动过程

辅助系统文件采用“Initrd”时，内核将root参数指定设备对应的编号保存在内核的内部变量“real-root-dev”中，如果内核未能探测到root指定的设备，“real-root-dev”中将保存为“0”。
内核将“Initrd”文件还原到/dev/ram0设备上，运行其中根目录下的linuxrc文件，等待该文件的执行结束，linuxrc文件执行结束后推出并返回到内核继续执行。内核再次获得执行权后将检查“real-root-dev”中的取值，根据取值作不同处理:

real-root-dev为“0”，将提示无法挂载“0:0”设备而出错，无法继续启动；
real-root-dev的值与“/dev/ram0”的设备号相同时，内核认为“最终系统”已经准备就绪不再处理，直接运行当前根文件系统中/sbin/init命令；
real-root-dev的值不是“/dev/ram0”的设备号时，内核会认为需要挂载设备到根文件系统，按照“real-root-dev”对应的设备号挂载设备到根文件系统，并运行根文件系统中/sbin/init命令，如果内核无法挂载该设备将提示错误并启动失败。