需要了解linux根文件系統(tǒng)的掛載過程

一：前言
前段時間在編譯kernel的時候發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在kernel的發(fā)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(fā)行廠商普遍采用的一種方式?？梢詫⒁徊糠莸某跏蓟ぷ鞣旁谔摂M的rootfs里完成。然后切換到真實的文件系統(tǒng).
在虛擬rootfs的發(fā)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(tǒng)，當內核啟動時，內核將這個cpio包解開，并且將其中包含的文件系統(tǒng)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(tǒng)中，作為用戶層進程來執(zhí)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制。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(tǒng)格式的rootfs
關于這兩種虛擬文件系統(tǒng)的制作請自行參閱其它資料

三：rootfs文件系統(tǒng)的掛載過程
這里說的rootfs不同于上面分析的rootfs。這里指的是系統(tǒng)初始化時的根結點。即/結點。它是其于內存的rootfs文件系統(tǒng)。這部份之前在>和文件系統(tǒng)中已經(jīng)分析過。為了知識的連貫性這里再重復一次。
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(shù)很簡單。就是注冊了rootfs的文件系統(tǒng).
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);
}
在這里，將rootfs文件系統(tǒng)掛載。它的掛載點默認為”/”.最后切換進程的根目錄和當前目錄為”/”.這也就是根目錄的由來。不過這里只是初始化。等掛載完具體的文件系統(tǒng)之后，一般都會將根目錄切換到具體的文件系統(tǒng)。所以在系統(tǒng)啟動之后，用mount命令是看不到rootfs的掛載信息的.

四：虛擬文件系統(tǒng)的掛載
根目錄已經(jīng)掛上去了，可以掛載具體的文件系統(tǒng)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(shù)，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(shù)，而靜態(tài)編譯進內核的modules也會將其入口放置在這段區(qū)間里。
跟根文件系統(tǒng)相關的初始化函數(shù)都會由rootfs_initcall（）所引用。注意到有以下初始化函數(shù)：
rootfs_initcall(populate_rootfs);
也就是說會在系統(tǒng)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 ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? initrd_end - initrd_start, 0);
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? free_initrd();
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? return 0;
? ?? ?? ?? ?? ?? ? }
? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk("it isn't (%s); looks like an initrd ", 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 ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ? free_initrd();
#endif
? ?? ?? ?}
? ?? ?? ?return 0;
}
unpack_to_rootfs：顧名思義就是解壓包，并將其釋放至rootfs。它實際上有兩個功能，一個是釋放包，一個是查看包，看其是否屬于cpio結構的包。功能選擇是根據(jù)最后的一個參數(shù)來區(qū)分的.
在這個函數(shù)里，對應我們之前分析的三種虛擬根文件系統(tǒng)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(qū)域。這種情況下，直接調用unpack_to_rootfs將其釋放到根目錄.如果不是屬于這種形式的。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，必須要配制CONFIG_BLK_DEV_RAM才會支持image-initrd。否則全當成cpio-initrd的形式處理。
對于是cpio-initrd的情況。直接將其釋放到根目錄。對于是image-initrd的情況。將其釋放到/initrd.image.最后將initrd內存區(qū)域歸入伙伴系統(tǒng)。這段內存就可以由操作系統(tǒng)來做其它的用途了。
接下來，內核對這幾種情況又是怎么處理的呢？不要著急。往下看：

回到kernel_init()這個函數(shù)：
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(shù)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(shù)值存放到這里。
如果沒有指定init文件路徑。默認為/init
對應于前面一段的分析，我們知道，對于initramdisk和cpio-initrd的情況，都會將虛擬根文件系統(tǒng)釋放到根目錄。如果這些虛擬文件系統(tǒng)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)??
? ?? ?? ?(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 ",
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? 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... ", 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(zhí)行指定的init文件，如果失敗，就會執(zhí)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(shù)。如果上面幾個文件都無法執(zhí)行。打印出沒有找到init文件的錯誤。
對于image-hdr或者是虛擬文件系統(tǒng)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... ",
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???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... ",
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? 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(".");
}
這里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(tǒng)。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(tǒng)。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(jié)點號
然后，轉向initrd_load()執(zhí)行initrd預處理后，再將具體的根文件系統(tǒng)掛載。
注意到，在這個函數(shù)末尾。會調用sys_mount()來移動當前文件系統(tǒng)掛載點到”/”目錄下。然后將根目錄切換到當前目錄。這樣，根文件系統(tǒng)的掛載點就成為了我們在用戶空間所看到的”/”了.
對于其它根文件系統(tǒng)的情況，會先經(jīng)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(jié)點，并將/initrd/.image釋放到這個節(jié)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(tǒng)不是/dev/ram0就會轉入到handle_initrd()
如果當前根文件系統(tǒng)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 ");
? ?? ?? ?else {
? ?? ?? ?? ?? ?? ? int fd = sys_open("/dev/root.old", O_RDWR, 0);
? ?? ?? ?? ?? ?? ? if (error == -ENOENT)
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk("/initrd does not exist. Ignored. ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ? else
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk("failed ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk(KERN_NOTICE "Unmounting old root ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ? sys_umount("/old", MNT_DETACH);
? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk(KERN_NOTICE "Trying to free ramdisk memory ... ");
? ?? ?? ?? ?? ?? ? if (fd?
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? error = fd;
? ?? ?? ?? ?? ?? ? } else {
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0);
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? sys_close(fd);
? ?? ?? ?? ?? ?? ? }
? ?? ?? ?? ?? ?? ? printk(!error ? "okay " : "failed ");
? ?? ?? ?}
}
先將/dev/ram0掛載，而后執(zhí)行/linuxrc.等其執(zhí)行完后。切換根目錄，再掛載具體的根文件系統(tǒng).
到這里。文件系統(tǒng)掛載的全部內容就分析完了.

五：小結
在本小節(jié)里。分析了根文件系統(tǒng)的掛載流程。并對幾個虛擬根文件系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)是很有幫助的.

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