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linux根文件系统的挂载过程详解

作者:佚名 来源:网络整理 更新时间:2017-4-9
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  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>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)

  (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.");

  }

  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

  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.

转载请注明:破洛洛(谢谢合作)
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