linux内核中根文件系统的初始化及init程序的运行

0x01 背景知识

存储数据的介质可以是内存，也可以是硬盘，但这两种介质都只能提供数据存储能力，并没有数据组织的能力。

比如，当我把一个文件存到内存或硬盘的某一个位置之后，如果我不记录这个位置，后面是无法再找到这个文件的。

所以，在有了内存和硬盘这些存储介质之后，我们还需要一种机制，来记录各种文件和目录的存放位置，以及后期对它们的检索能力，而这种机制，就叫做文件系统。

文件系统的种类有很多，比如我们常见的基于硬盘的文件系统ext4，以及基于内存的文件系统sysfs。

不同文件系统在内核里的实现各不相同，为了给使用者提供一套统一的接口，linux内核抽象出了vfs (virtual filesystem)层，即虚拟文件系统层，这样，当我们想要访问某个文件时，只用调用vfs的对应函数就好了，vfs会帮我们调用底层真实文件系统的对应函数，以此来获得文件数据。

有关vfs以及各种文件系统的介绍，可以查看对应的官方文档： Filesystems in the Linux kernel

我们在和vfs打交道时，为其提供的最主要的信息就是文件路径，而文件路径有两种格式，一种是绝对路径，即从根目录开始查找文件，一种是相对路径，即从当前目录查找文件。

所以，vfs如果想要解析我们提供的路径，就必须还要知道一个信息，即我们当前的根目录和当前目录指向哪里。

那这些信息存放在哪里了呢？

我们和操作系统交互的方式是通过程序，或者更确切的说，是通过进程，所以当我们要求vfs帮我们解析一个路径时，其实是这个进程在要求vfs解析这个路径，所以vfs获取的根目录或当前目录，其实就是这个进程所属的根目录或当前目录。

所以，存放根目录及当前目录的最好位置，就是在进程里。

而且，在进程内，我们是可以通过 chdir 这个系统调用来修改当前目录的，也就是说，每个进程都有自己独有的当前目录，这就更说明，根目录和当前目录信息，只能存放在进程里。

到这里有些同学可能会有疑问，当前目录存放在进程里比较好理解，但根目录应该是所有进程共用的吧，为什么也要存放在进程里呢？

这是因为，不仅进程所属的当前目录是可以修改的，进程所属的根目录也是可以修改的，修改的方式就是通过 chroot 这个系统调用。

根目录和当前目录，存放在进程的具体位置为：

current指向的是当前进程，进程对应的结构体是struct task_struct，在这个结构体里，有一个fs字段，它又指向struct fs_struct结构体，而在struct fs_struct结构体里面，则存放了当前进程所属的根目录及当前目录，即root和pwd字段。

那有了这两个字段，vfs就可以解析我们提供的文件路径，进而找到对应的文件数据了。

0x02 进程所属根目录及当前目录的初始化

当在a进程里创建一个b进程时，内核会以a进程结构体为模板，拷贝一个新的进程结构体，然后再根据b进程的要求，对这个结构体进行修改，最终修改后的结构体，就是b进程。

之所以要以拷贝a进程结构体的方式创建b进程，是因为b进程中很多信息，要继承自a进程，比如，b进程所属的根目录以及当前目录，就是继承自a进程的。

既然子进程是通过继承父进程数据的方式，来获取其所属的根目录以及当前目录的，那第一个init进程的根目录和当前目录是从哪里继承的呢？

init进程的根目录和当前目录，其实是继承自内核里面的init_task。

init_task是内核里定义的一个全局变量，其类型为struct task_struct结构体，也就是进程所使用的结构体。进程所有的初始信息，都被定义在了init_task指向的这个结构体里，我们可以把它看成是其他进程的模板。

那我们看一下init_task里面定义的初始根目录及当前目录是什么：

我把无关字段都折叠了，只保留了fs字段，因为根目录和当前目录就是存放在这个字段对应的结构体里。

我们继续看init_fs的定义：

从上图我们可以看到，init_fs里根本就没有定义其所属根目录和当前目录，这是怎么回事呢？

其实也比较容易理解，目录的概念是依托于文件系统的，当内核在内存中创建了一个文件系统实例时，这个实例可能对应于一个内存文件系统，也可能对应于一个硬盘文件系统，只有在此时，这个文件系统实例才有了一个属于它的根目录，也只有在此时，内核中目录的概念才会产生。

通过上面这句话我们也可以知道，每个文件系统实例都有自己独有的根目录，那这些文件系统实例，是如何组成一个统一的目录体系呢？

其实就是通过挂载的方式，比如b文件系统实例的根目录，挂载到a文件系统实例的/mnt目录下，那以后我们在访问a文件系统实例的/mnt目录时，其实访问的就是b文件系统实例的根目录。

上面的init_fs里之所以没有定义其对应的根目录和当前目录，是因为在内核的编译阶段，还没有创建出根文件系统实例，根文件系统实例是在内核启动时创建的，也就是说，在那个时候，才会对init_fs里的root和pwd字段进行初始化。

下图为创建根文件系统的函数：

在上图中，先用过vfs_kern_mount函数，创建了一个根文件系统实例，该文件系统的类型是rootfs，它是一个基于内存的文件系统。

在拿到这个文件系统实例mnt之后，我们就可以通过mnt->mnt_root字段，获取其对应的根目录。

这个根目录被赋值到root.dentry字段里，然后root变量又通过set_fs_pwd和set_fs_root函数，被赋值为current指向的进程的当前目录和根目录。

那current当前指向的是哪个进程结构体呢？

current对应的就是pcpu_hot里的current_task字段，而current_task字段的初始值，就是init_task。

所以我们刚才疑惑的，init_task里的init_fs里的root和pwd字段，是在哪里设置的，现在就有了答案，就是在init_mount_tree这个函数里设置的。

此时，init_task所属的根目录和当前目录，指向的就是rootfs文件系统实例的根目录。

我们在有了这个目录体系之后，后面就会在这个目录树里寻找init程序，然后启动它，作为linux系统里的第一个进程。

但是，我们刚才也说过，刚刚创建的rootfs文件系统实例，是一个基于内存的文件系统，它内部现在除了一个根目录之外，是没有任何其他文件或目录的。

那我们后面要启动的init进程，是从哪里来的呢？

它的来源有两种方式，接下来我们就按照内核的启动流程，顺序讲一下这几种方式。

我们遇到的第一种方式就是initramfs。

0x03 initramfs

initramfs是一种cpio格式的归档文件，它可以把多个文件打包在一起，这个比较类似于linux下的tar文件，initramfs文件可以是被压缩的，也可以是没有被压缩的，linux内核都可以解析。

我们可以通过两种方式为linux内核提供initramfs文件，linux内核在启动过程中，会分别去尝试解析这两个initramfs文件，如果对应的initramfs文件存在的话，内核就会把它里面的打包文件，解压到上面创建的rootfs文件系统里。

我们刚才说过，rootfs文件系统是基于内存的，所以从initramfs里解压出来的文件，其实就是被存放到了内存里，只不过我们后面可以通过文件路径的方式，来访问这些文件。

向linux内核提供initramfs文件的两种方式分别为：内核在编译时，可以内置打包一个initramfs文件，另一种方式就是我们可以通过initrd参数，向内核传递一个外部的initramfs文件。

我们来分别讲下这两种方式。

0x04 内核内置打包initramfs

负责将initramfs编译进内核的代码位于usr目录下，其基本原理就是我们要提供一个这样格式的文件：

这个文件里面就指定了，我们要把哪些文件打包到内核，或者说，我们要在rootfs的根目录里创建什么文件。

上图这个文件，就是在告诉内核，要在rootfs根目录里先创建/dev目录，然后再创建/dev/console文件，最后再创建/root目录。

这个是内核默认的创建内置initramfs的配置文件，我们还可以通过内核配置，指定一个我们自己的配置文件，或者直接就修改这个默认配置文件。

总之，指定内置的initramfs文件内容的方式有很多种，这里就不一一介绍了，有兴趣的话可以自己看下usr目录下的代码，或者说找我问下。

0x05 initrd内核参数的方式传递initramfs

除了在内核编译时，内置打包一个initramfs文件，我们还可以通过指定initrd内核参数的方式，向内核传递一个initramfs文件。

在我们使用bootloader启动内核时，主要就是使用的这种方式。

比如说，我当前机器使用的是systemd-boot这个bootloader，我就可以在下面这个配置文件里指定initrd参数，来向内核传递initramfs文件：

这种方式的基本原理就是，bootloader会把内核以及initrd文件都加载到内存，然后把加载到内存的initrd文件的位置和大小设置到一个struct boot_params结构体对象里，然后再把执行权限转交给内核，并把struct boot_params对象传递给内核。

内核在解析initramfs文件时，就会检查struct boot_params对象里的对应字段是否设置了，如果设置了的话，就认为我们通过initrd参数向内核传递了一个initramfs文件，内核就会将这个initramfs文件里的内容，解压到rootfs的根目录里。

0x06 解压initramfs

不管我们使用上面讲的哪种方式，我们的最终目的，都是为了向内核传递initramfs文件，这样内核就可以把这个initramfs文件解压到rootfs文件系统的根目录，进而就可以查找在这个目录里是否有/init程序，如果有的话，内核就开始执行init程序，这也就标志着内核的启动流程结束了。

负责解压initramfs文件的函数为：

上图中，我把无关逻辑折叠起来了。

注意这个函数里调用了两次unpack_to_rootfs函数，unpack_to_rootfs函数的目的就是将initramfs解压到rootfs根目录下。

第一次unpack_to_rootfs函数调用是为了解压内置的initramfs，第二次这个函数的调用是为了解压通过initrd参数传递给内核的initramfs。

0x07 执行从initramfs解压出来的init程序

在完成对上述initramfs的解压之后，在内核启动流程后期，就会尝试执行从initramfs里解压出来的init程序：

上图中，当检测到ramdisk_execute_command变量不为null时，就会使用run_init_process函数，执行ramdisk_execute_command对应的程序。

ramdisk_execute_command不为null表示检测到从initramfs解析出来了init程序，ramdisk_execute_command默认指向的init程序路径为/init。

也就是说，如果我们把一个init程序打包到initramfs的根目录，那当内核解压initramfs完毕之后，后续就会执行我们提供的这个init程序。

0x08 动手实验initramfs

上面我们讲完了initramfs的理论知识，现在我们来动手实验下。

我们最终的目的就是把init程序打包到initramfs文件的根目录下，这样内核就会执行我们提供的这个init程序，作为第一个进程。

为了实验方便，我们直接用内置的initramfs打包方式，我们把usr/default_cpio_list文件修改成如下内容：

该文件的前三行没有变动，还是原内容，我们添加了后三行。

后三行的大致意思为，将我当前机器上的/usr/bin/busybox文件打包到initramfs的根目录，然后在initramfs的根目录创建一个软链接sh，让其指向/busybox，最后再在initramfs根目录创建一个软连接tree，也指向/busybox。

这里，我们选择busybox作为我们后续的测试程序，打包进了initramfs，是有两点原因。一是因为busybox是一个静态编译的程序，即它没有任何依赖，所以比较方便打包到initramfs里，二是因为busybox内置了很多命令，可以方便我们后续的各种测试。

看上图中我们创建的到busybox的两个软连接，如果我们执行这两个软连接，其实就是在执行busybox里对应的内置命令。

在做好上述配置之后，我们就可以构建内核了，然后我们就使用qemu虚拟机，启动我们新构建的内核。

使用的qemu命令为：

上图中-kernel参数是告诉qemu执行我们刚构建好的内核，-append参数对应的值，会当作内核参数传递给内核。

注意上图中的选中部分，我们使用rdinit=/sh这个内核参数告诉内核，我们要执行从initramfs解压出来的程序是/sh，而不是默认的/init。

sh程序，其实就是busybox里内置的shell。

下面我们运行刚才那条qemu命令，我们就会进入到busybox的shell环境：

注意上图中的选中行，这条内核日志告诉我们，内核执行的init程序，就是我们传入的/sh。

下面我们再执行一些命令做一些测试：

由上图可见，sh进程所处的当前目录就是根目录，而且根目录下的所有文件，就是上面我们在usr/default_cpio_list里配置的文件。

0x09 真正的根文件系统的挂载

以上我们通过几小节的内容，讲了如何通过initramfs的方式，向linux内核提供init程序，下面我们再讲下向linux内核提供init程序的另外一种方式，即直接挂载真正的根文件系统。

上面我们说到，为了提供一个目录体系，我们创建了一个rootfs文件系统实例，虽然这个文件系统下只有一个空的根目录，但它为我们后续解压initramfs，以及挂载真正的根文件系统提供的基础。

rootfs并不是最终的真正的根文件系统，它只是在内核启动过程中，用于临时过渡的一个文件系统，我们真正的根文件系统一般是存储于硬盘的，类型一般是ext4。

其实上面我们打包进initramfs里的init程序，也并不是最终真正的init程序，它也只是一个过渡程序，它的主要作用就是挂载真正的根文件系统，然后再执行真正根文件系统里的init程序，这个init程序一般为systemd。

下面我们来实际看一下打包进initramfs里的init程序。

在上面的图中我们也展示过，我当前机器内核在启动时，使用的是/boot/initramfs-linux.img这个initramfs，我们把它解压下，看下里面的内容：

我使用的linux发行版是archlinux，所以上图中是用lsinitcpio命令解压的initramfs，其他的linux发行版使用的命令可能不同，这个要注意一下。

在上图中可以看到一个init程序，这个就是内核解压完initramfs后，要执行的init程序，我们看下它的内容：

为了方便理解，我还是把无关内容折叠了。

由上图可以看到，这个init程序其实是个shell脚本，它的主体逻辑是，先把真正的根文件系统挂载到/new_root目录，然后再使用switch_root命令，先把根目录下的其他无关文件删掉，然后再把/new_root设置为新的根目录，最后再执行新根目录下的init程序，其路径为/sbin/init。

那我们是怎么把真正的根文件系统的位置，告诉这个init脚本的呢？

其实就是通过root这个内核参数。

上图就是我当前机器的linux内核的启动配置，注意选中部分，就是传给内核的root参数，它表示的就是真正的根文件系统在哪里，它的真实指向其实是硬盘的一块分区。

综上我们可以看到，我们通过initramfs的方式向内核提供init程序，其最终目的也是为了挂载真正的根文件系统，然后执行真正的根文件系统下的真正的init程序。

那当我们没有提供initramfs给内核，内核会怎么处理呢？

很简单，内核会直接解析root参数，尝试挂载其指向的真正的根文件系统，并执行它内部的init程序，这个和我们上面看到的initramfs里的init脚本逻辑基本一致。

上图就是内核里的对应逻辑，它先等待initramfs解压完成，然后检查ramdisk_execute_command指向的文件，默认为/init，是否存在，如果不存在，则调用prepare_namespace函数，开始尝试自己解析root参数，并挂载其指向的真正的根文件系统。

如果prepare_namespace函数成功挂载真正的根文件系统，那在这个函数执行结束后，我们当前的根目录，就已经指向的是这个真正的根文件系统的根目录了。

然后，内核的逻辑继续往下执行，最终会尝试在各种地方寻找init程序，并把它作为第一个进程开始执行。

这张图我们之前在讲initramfs时也看到过，不过这次因为initramfs里没有解压出init程序，ramdisk_execute_command变量在上图中的kernel_init_freeable函数里已经被置为null了，所以不会再尝试执行initramfs里的init程序，这个函数会尝试在一些固定地方，比如/sbin、/etc等目录下，寻找init程序执行。

这些地方寻找到的init程序，就是真正的根文件系统下的，真正的init程序了。

对于我当前机器来说，这个init程序就是systemd：