initramfs 简介：一个新的 initial RAM disks 模型

initramfs 简介，一个新的 initial RAM disks 模型

译自: http://linuxdevices.com/articles/AT4017834659.html或 点此查看原文

by Rob Landley, TimeSys (Mar. 15, 2005)

问题

当 Linux 内核启动系统时，它必须找到并执行第一个用户程序，通常是 init。用户程序存在于文件系统，故 Linux 内核必须找到并挂载上第一个(根)文件系统，方能成功开机。
通常，可用的文件系统都列在 /etc/fstab，所以 mount 可以找到它们。但 /etc/fstab 它本身就是一个文件，存在于文件系统中。找到第一个文件系统成为鸡生蛋蛋生鸡的问题，而且为了解决它，内核开发者建立内核命令列选项 root=，用来指定 root 文件系统存在于哪个设备上。

十五年前，root= 很容易解释。它可以是软盘或硬盘上的分区。如今 root 文件系统可以存在于各种不同类型的硬件(SCSI, SATA, flash MTD) ，或是由不同类型硬件所建立的 RAID 上。它的位置随着不同启动而不同，像可热插拔的 USB 设备被插到有多个 USB 孔的系统上 - 当有多个 USB 设备时，哪一个是正确的？root 文件系统也可能被压缩(如何？)，被加密(用什么 keys？)，或 loopback 挂载(哪里？)。它甚至可以存在外部的网络服务器，需要内核去取得 DHCP 地址，完成 DNS lookup，并登入到远程服务器(需账号及密码)，全部都在内核可以找到并执行第一个 userspace 程序之前。

如今，root= 已没有足够的信息。即使将所有特殊案例的行为都放进内核也无法帮助设备列举，加密，或网络登入这些随着系统不同而不同的系统。更糟的是，替核心加入这些复杂的工作，就像是用汇编语言写 web 软件 ：可以做到，但使用适当的工具会更容易完成。核心是被设计成服从命令，而不是给命令。

为了这个不断增加复杂度的工作， 核心开发者决定去寻求更好的方法来解决这整个问题。

解决方法

Linux 2.6 核心将一个小的 ram-based initial root filesystem(initramfs) 包进内核，且若这个文件系统包含一个程序 init，核心会将它当作第一个程序执行。此时，找寻其它文件系统并执行其它程序已不再是内核的问题，而是新程序的工作。

initramfs 的内容不需是一般功能。若给定系统的 root 文件系统存在于一个加密过的网络块设备，且网络地址、登入、加密都存在 USB 设备 "larry" (需密码方能存取)里，系统的 initramfs 可以有特殊功能的程序，它知道这些事，并使这可以运作。

对系统而言，不需要很大的 root 文件系统，也不需要寻址或切换到任何其它 root 文件系统。
这跟 initrd 有何不同?

Linux kernel 已经有方法提供 ram-based root filesystem，initrd 机制。对 2.4 及更早的 kernel 来说，initrd 仍然是唯一的方法去做这一连串的事。但 kernel 开发者选择在 2.6 实现一个新的机制是有原因的。

ramdisk vs ramfs

ramdisk (如 initrd) 是 基于ram的块设备，这表明它是一块固定大小的内存，它可以被格式化及挂载，就像磁盘一样。这表明 ramdisk 的内容需先格式化并用特殊的工具(像是 mke2fs 及 losetup)做前置作业，而且如同所有的块设备，它需要文件系统驱动程序在执行时期解释数据。这也有人工的大小限制不论是浪费空间(若 ramdisk 没有满，已被占用的额外的内存也不能用来做其它事)或容量限制(若 ramdisk 满了，但其它仍有闲置的内存，也不能不经由重新格式化将它扩展)。

但 ramdisk 由于缓冲机制（caching）实际上浪费了更多内存。Linux 被设计为将所有的文件及目录做缓存，不论是对块设备的读出或写入，所以 Linux 复制数据到 ramdisk及从 ramdisk 复制数据出来，page cache 给 file data 用，而 dentry cache 给目录用。ramdisk 的下面则伪装为块设备。

几年前，Linus Torvalds 有一个巧妙的想法：Linux 的缓存是否可以被挂载一个文件系统？只要保持文件在缓存中且不要将它们清除，直到它们被删除或系统重新启动？Linus 写了一小段程序将缓存包起来，称它为 ramfs，而其它的 kernel 开发者建立一个加强版本称为 tmpfs(它可以写数据到 swap，及限制挂载点的大小，所以在它消耗完所有可用的内存前它会填满)。initramfs 就是 tmpfs 的一个实例。
这些基于ram的文件系统自己改变大小以符合数据所需的大小。增加文件到 ramfs(或增大原有的文件)会自动配置更多的内存，并删除或截去文件以释放内存。在块设备及缓存间没有复制动作，因为没有实际的块设备。在缓存中的只是数据的复制。更好的是这并不是新的程序代码，而是已存在的 Linux 缓存程序代码新的应用，这表示它几乎没有增加大小，非常简单，且基于已经历测试的基础上。

系统使用 initramfs 作为它的 root 文件系统甚至不需要将文件系统驱动程序内建到 kernel，因为没有块设备要用来做文件服务器。只是存在内存中的文件罢了。

initrd vs initramfs

底层架构的改变是 kernel 开发者建立一个新的实现的理由，但当他们在那里时他们清除了很多不好的行为及假设。
initrd 被设计为旧的 root= 的 root 设备检测程序代码的前端，而不是取代它。它执行 /linuxrc，这被用来完成设定功能(像是登入网络，决定哪个设备含有 root 分区，或用文件做为 loopback 设备)，告诉 kernel 哪个块设备含有真的 root 设备(通过写入de_t 数据到 /proc/sys/kernel/real-root-dev)，且回传给 kernel，所以 kernel 可以挂载真的 root 设备及执行真的 init 程序。

这里假设“真的根设备”是块设备而不是网络共享的，同时也假设 initrd 自己不是做为真的 root 文件系统。kernel 也不会执行 /linuxrc 而做为特殊的进程（ID=1），因为这个 process ID(它有特殊的属性，像是做为唯一无法被以 kill -9 的 process) 被保留给 init，kernel 在它挂载真的 root 文件系统后会等它执行。

用 initramfs，kernel 开发者移除所有的假设。当 kernel 启动了在 initramfs 外的 /init，kernel 即做好决定并回去等待接受命令。用 initramfs，kernel 不需要关心真的 root 档案系统在哪里，而在 initramfs 的 /init 被执行为真的 init，以 PID 1。(若 initramfs 的 init 需要不干涉特别的 PID 给其它程序，它可以用 exec() 系统呼叫，就像其它人一样)

总结

传统的 root= kernel 命令列选项仍然被支持且可用。但在开发支持initial RAM disk支持内核时，提供了许多优化和灵活性。

译者注

1. 查看initramfs的内容
# mkdir initrd
# cd intrd
# cp /boot/initrd.img initrd.img
# gunzip initrd.img
# cpio -i --make-directories < initrd.img
#
2. 创建initramfs
   1. mkinitramf
   # mkinitramfs -o /boot/initrd.img 2.6.2
   Note: 2.6.25是需要创建initramfs的kernel版本号，如果是给当前kernel制作initramfs，可以用uname -r查看当前的版本号。提供kernel版本号的主要目的是为了在initramfs中添加指定kernel的驱动模块。mkinitramfs会把/lib/modules/${kernel_version}/ 目录下的一些启动会用到的模块添加到initramfs中。
   
   2. update-initramfs
   更新当前kernel的initramfs
   # update-initramfs -u
   在添加模块时，initramfs tools只会添加一些必要模块，用户可以通过在/etc/initramfs-tools/modules文件中加入模块名称来指定必须添加的模块。
命令：mkinitramfs, update-initramfs
3. mkinitcpio
在Arch Linux中，有一个新一代的initramfs制作工具。相对于老的mkinitrd和mkinitramfs，它有以下很多优点。查看详细《使用mkinitcpio》。
4. 参考链接：
精通initramfs构建 http://linuxman.blog.ccidnet.com/blog-htm-do-list-uid-60710-type-blog-dirid-14402.html 
制作initramfs镜像 http://www.diybl.com/course/6_system/linux/Linuxjs/200888/135080.html