initramfs详解-----初识initramfs

为什么需要initramfs

在Linux内核被加载到内存并运行后，内核进程最终需要切换到用户太的进程来使用计算机，而用户进程又存在于外存储设备上，比如systemd进程，通常systemd进程所在的存储设备也是Linux真正的根文件系统所在的位置，我们知道内核源码是没有包含驱动程序的，驱动程序在外存储设备上，那么问题来了，要切换到systemd进程，就需要外存储的驱动，但是没有驱动又没办法访问外存储，这就进入先有鸡还是先有蛋的问题了（那到底是先有鸡还是先有蛋呢：）），这个时候initramfs就闪亮登场了。

为什么不将所有驱动都写入内核而要用initramfs

        第一，除非是一个专用系统，目标系统的硬件平台是固定不变的，否则，对于一个通用操作系统，比如Linux的桌面发行版，将运行在各种不同的硬件平台上。因此，根文件系统可能存储在各种各样的介质上，比如IDE硬盘、SATA硬盘、SCSI硬盘、Flash存储器，以及随着技术的发展，不断出现的新的存储设备。为了能够兼容更多的硬件平台，显然系统需要支持尽可能多的存储设备。但是如果将所有这些设备的驱动全部编译进内核，显然不是一个好办法。因为对于某个特定的硬件平台，可能只需要一个驱动即可，内核中的其他驱动根本用不上，将它们编译进内核只会徒增内核的尺寸、占用内存空间，尤其对于一些内存或者存储介质空间有限的设备，这个问题尤为明显。于是将这些驱动编译为模块，存储在根文件系统中，按需载入内存是一个解决问题的办法。

        第二，根文件系统可能不在一个简单的硬盘上，比如当使用磁盘阵列RAID时，根文件系统可能横跨几个存储设备，或者根文件系统在某个网络设备上。以使用NFS挂载根文件系统为例，除了要支持网卡驱动外，还要进行网络配置，甚至还要进行网络认证。某些根文件系统经过压缩、加密，在挂载前需要解压缩、解密等操作。如果这些都由内核处理，将会使内核变得异常复杂，继而可能导致内核的稳定性、可靠性、灵活性等一系列的问题。因此，将复杂的操作移到用户空间是解决上述问题的一个思路。

        为了解决上述问题，内核开发者们设计了initramfs机制。initramfs是一个临时的文件系统，其中包含了必要的设备如硬盘、网卡、文件系统等的驱动以及加载驱动的工具及其运行环境，比如基本的C库，动态库的链接加载器等等。同时，那些处理根文件系统在RAID、网络设备上的程序也存放在initramfs中。由第三方程序（如Bootloader）负责将initramfs从硬盘装载进内存。bootloader如何将内核与initramfs载入内存，敬请期待，写好后我将连接放到此处

        以驱动硬盘为例，内核就不必再从硬盘，而是从已经加载到内存的initramfs中获取硬盘控制器等相关驱动了，继而可以驱动硬盘，访问硬盘上的根文件系统，从而解决了前面提到的鸡和蛋的矛盾。

        在初始化的最后，内核运行initramfs中的init程序，该程序将探测硬件设备、加载驱动，挂载真正的文件系统，执行文件系统上的/sbin/init，进而切换到真正的用户空间。真正的文件系统挂载后，initramfs即完成了使命，其占用的内存也会被释放。

initramfs原理

在讲解initramfs之前，先介绍initramfs的一个前辈initrd

        在2.4以及更早版本的内核中，内核使用的是initrd。initrd是基于ramdisk技术的，而ramdisk就是一个基于内存的块设备，因此initrd也具有块设备的一切属性。比如initrd容量是固定的，一旦创建initrd时设定了一个大小，就不能再进行动态调整。而且，如同块设备一样，initrd 需要按照一定的文件系统格式进行组织，因此制作initrd时需要使用如mke2fs这样的工具“格式化”initrd，访问initrd时需要通过文件系统驱动。更重要的是，虽然initrd是一个伪块设备，但是从内核的角度看，其与真实的块设备并无区别，因此，内核访问initrd也需使用缓存机制，显然这是多此一举的，因为本身initrd就在内存中。

由于initrd太拉胯，于是initram呼之欲出

        鉴于ramdisk机制的种种限制，Linus Torvalds提出了一个想法：能否将cache当作一个文件系统直接挂载使用？基于这个想法，Linus Torvalds基于已有的缓存机制实现了ramfs。ramfs与ramdisk有着本质的区别，ramdisk本质上是基于内存的一个块设备，而ramfs是基于缓存的一个文件系统。因此，ramfs去除了前述块设备的一些限制。比如，ramfs根据其中包含的文件大小可自由伸缩；增加文件时，自动分配内存；删除文件时，自动释放内存。更重要的是，ramfs是基于已有的缓存机制，因此不必再像ramdisk那样需要和缓存之间进行多余的复制一环。

伴随着ramfs的出现，从2.6开始，内核开发人员基于ramfs开发了initramfs替代initrd。那么initramfs是怎样工作的呢？

        当2.6版本的内核引导时，在挂载真正的根文件系统之前，首先将挂载一个名为rootfs的文件系统，并将rootfs的根作为虚拟文件系统目录树的总根。那么为什么要使用rootfs这么一个中间过程呢？原因之一还是为了解决鸡和蛋的问题。内核需要根文件系统上的驱动以及程序来驱动和挂载根文件系统，但是这些驱动和程序有可能没有编译进内核，而在根文件系统上。如果不借助第三方，内核是没有办法挂载真正的根文件系统的。而rootfs虽然名称为rootfs，但是并不是什么新的文件系统，事实上，rootfs就是一个ramfs，只不过换了一个名称。换句话说，rootfs是在内存中的，内核不需要特殊的驱动就可以挂载rootfs，所以内核使用rootfs作为一个过渡的桥梁。

        在挂载了rootfs后，内核将Bootloader加载到内存中的initramfs中打包的文件解压到rootfs中，而这些文件中包含了驱动以及挂载真正的根文件系统的工具，内核通过加载这些驱动、使用这些工具，实现了挂载真正的根文件系统。此后，rootfs也完成了历史使命，被真正的根文件系统覆盖（overmount）。但是rootfs作为虚拟文件系统目录树的总根，并不能被卸载。但是这没有关系，前面我们已经谈到了，rootfs基于ramfs，删除其中的文件即可释放其占用的空间。

1、挂载rootfs

        用于不同操作系统的文件系统其物理存储结构是不同的，但是Linux的虚拟文件系统通过为这些文件系统建立中间适配层,实现了Linux对各个文件系统的支持，Linux的虚拟文件系统将文件系统组织为树形结构。在初始化阶段，内核挂载rootfs文件系统，虚拟文件系统从无到有，rootfs的根作为虚拟文件系统这棵大树中的第一个节点，自然成为所有后来创建的节点的祖先。也就是说，虚拟文件系统目录树的根就是rootfs的根，本质上，rootfs就是一个ramfs文件系统。

        通过挂载rootfs，虚拟文件系统的根目录已经建立起来，根目录已经可以容纳文件了。所以，接下来内核解压initramfs的内容到虚拟文件系统的根中，利用initramfs中的内容挂载并切换到真正的根文件系统。

2、解压initramfs到rootfs

        在挂载了rootfs后，内核将Bootloader加载到内存中的initramfs中的文件解压到rootfs中。而这些文件中包含了驱动以及挂载真正的根文件系统的工具，内核通过加载这些驱动、使用这些工具实现挂载真正的根文件系统。

3、挂载并切换到真正的根目录

        将initramfs成功解压后，挂载真正的根文件系统所需的驱动、程序等已经全部俱备，可以挂载真正的根文件系统了，在grub.cfg文件中对应的就是root=XXX。内核将真正的根文件系统挂载到initramfs文件系统中的/root目录下。

        挂载真正的根文件系统后，rootfs中的内容已经没有保留的意义，但是并不能将rootfs卸载，因为rootfs是整个虚拟文件系统的根。因此，为了不占用内存空间，将rootfs中的内容（文件）释放掉即可，然后将真正的根文件系统移动到虚拟文件系统的根（即rootfs的根）下，最后再将进程的文件系统的namespace切换到真正的根文件系统。

initramfs文件基本操作

查看initramfs

lsinitrd

解压initramfs

/usr/lib/dracut/skipcpio initramfs-3.10.0-229.el7.x86_64.img | zcat | cpio -ivd

手动创建initramfs

[root@ct7_node02 initramfs]# find . | cpio -o -H newc | gzip -9 > /tmp/test.img

 注意：修改完initramfs后，需要删除grub.cfg中的linux16 /vmlinuz-3.10.0-514.el7.x86_64 root=/dev/mapper/cl-root ro biosdevname=0 net.ifnames=0 console=ttyS0,115200n8不相关的内容，否则会导致内核启动失败。

创建一个最基本的initramfs

内核启动后会执行initramfs中的init程序，创建一个init，里面写入bash脚本，脚本添加两行信息，屏幕打印hello信息，并运行bash程序，exec是内核运行程序的函数，bash一般存放在/bin/bash路径，这里保持这个路径，其次是添加bash所依赖的库文件。

[root@ct7_node02 initramfs]# ll
total 4
drwxr-xr-x 2 root root 18 Aug  2 15:14 bin
-rwxr-xr-x 1 root root 49 Aug  2 15:13 init
drwxr-xr-x 2 root root 90 Aug  2 15:17 lib64
[root@ct7_node02 initramfs]# cat init 
#!/bin/bash

echo "Hello Michael"
exec /bin/bash
[root@ct7_node02 initramfs]# tree ./ 
./
|-- bin
|   `-- bash
|-- init
`-- lib64
    |-- ld-linux-x86-64.so.2
    |-- libc.so.6
    |-- libdl.so.2
    `-- libtinfo.so.5

2 directories, 6 files
[root@ct7_node02 initramfs]# 

 通过ldd命令查看bash所依赖的库文件，并将这些文件复制到上面的lib64目录中

[root@ct7_node02 initramfs]# ldd /usr/bin/bash
	linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffcbd4aa000)
	libtinfo.so.5 => /lib64/libtinfo.so.5 (0x00007f4268c01000)
	libdl.so.2 => /lib64/libdl.so.2 (0x00007f42689fd000)
	libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f426863b000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f4268e31000)
[root@ct7_node02 initramfs]# 

[root@ct7_node02 tmp]# lsinitrd test.img 
Image: test.img: 1.4M
========================================================================
Version: 

Arguments: 
dracut modules:
========================================================================
drwxr-xr-x   4 root     root            0 Aug  2 15:17 .
drwxr-xr-x   2 root     root            0 Aug  2 15:14 bin
-rwxr-xr-x   1 root     root       960392 Aug  2 15:14 bin/bash
-rwxr-xr-x   1 root     root           49 Aug  2 15:13 init
drwxr-xr-x   2 root     root            0 Aug  2 15:17 lib64
-rwxr-xr-x   1 root     root       155064 Aug  2 15:15 lib64/ld-linux-x86-64.so.2
-rwxr-xr-x   1 root     root      2116736 Aug  2 15:15 lib64/libc.so.6
-rwxr-xr-x   1 root     root        19344 Aug  2 15:16 lib64/libdl.so.2
-rwxr-xr-x   1 root     root       174520 Aug  2 15:16 lib64/libtinfo.so.5
========================================================================

将这些文件制作成initramfs并添加到/boot目录下进行测试

同理其他的命令，例如ls、cd、pwd等的相关命令都可通过以上方式添加到initramfs文件中