Initramfs 原理和实践

Linux系统启动时使用initramfs (initram file system), initramfs可以在启动早期提供一个用户态环境，借助它可以完成一些内核在启动阶段不易完成的工作。当然initramfs是可选的，Linux中的内核编译选项默认开启initrd。在下面的示例情况中你可能要考虑用initramfs。

• 加载模块，比如第三方driver
• 定制化启动过程 (比如打印welcome message等)
• 制作一个非常小的rescue shell
• 任何kernel不能做的，但在用户态可以做的 (比如执行某些命令)

一个initramfs至少要包含一个文件，文件名为/init。内核将这个文件执行起来的进程作为main init进程(pid 1)。当内核挂载initramfs后，文件系统的根分区还没有被mount, 这意味着你不能访问文件系统中的任何文件。如果你需要一个shell，必须把shell打包到initramfs中，如果你需要一个简单的工具，比如ls, 你也必须把它和它依赖的库或者模块打包到initramfs中。总之，initramfas是一个完全独立运行的体系。

另外initramfs打包的时候，要求打包成压缩的cpio档案。cpio档案可以嵌入到内核image中，也可以作为一个独立的文件在启动的过程中被GRUB load。

Linux的initramrd img

在/boot目录下的initrd.img-xxx (Ubuntu)或者initramfs-xxx.img (CentOS) 文件即为Linux用的initramfs文件。我们可以将其解压出来看看其目录结构，如下：

# ls -l /boot/
total
-rw-r--r--  root root   Jul    abi-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root   Aug    abi-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root    Jul    config-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root    Aug    config-4.4.--generic
drwxr-xr-x  root root      Jul   : grub
-rw-r--r--  root root  Aug    initrd.img-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root  Aug    initrd.img-4.4.--generic
-rw-------  root root   Jul    System.map-4.4.--generic
-rw-------  root root   Aug    System.map-4.4.--generic
-rw-------  root root   Jul    vmlinuz-4.4.--generic
-rw-------  root root   Aug    vmlinuz-4.4.--generic
# initrd的文件类型是gzip压缩文件
# file /boot/initrd.img-4.4.--generic
/boot/initrd.img-4.4.--generic: gzip compressed data, from Unix, last modified: Thu Aug  :: 2017
# cp /boot/initrd.img-4.4.--generic .
# 文件大小为22M
# ls -lh initrd.img-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root 22M Jul   : initrd.img-4.4.--generic
# 修改文件的后缀名，否则gzip工具无法识别
# mv initrd.img-4.4.--generic initrd.img-4.4.--generic.gz
# 用gzip解压缩
# gzip -d initrd.img-4.4.--generic.gz
# 解压后的大小为57M
# ls -lh initrd.img-4.4.--generic
-rw-r--r--  root root 57M Jul   : initrd.img-4.4.--generic

# 解压后的文件类型为cpio档案
# file initrd.img-4.4.--generic
initrd.img-4.4.--generic: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)

# 将文件从cpio档案中copy出来
# cpio -idmv < initrd.img-4.4.--generic
.
lib64
lib64/ld-linux-x86-.so.
...
lib/systemd
lib/systemd/systemd-udevd
 blocks

# 最终可以看到如下文件和目录结构，就是initramrd的结构
# ls
bin  conf  etc  init  initrd.img-4.4.--generic  lib  lib64  run  sbin  scripts

可以看到initramfs和跟分区文件系统的雏形很像，只是它的大小不大，少了很多工具和库。有些内核模块就在其中，比如：/lib/modules/4.4.0-93-generic/kernel/。

qemu中启动"Hello World" initramfs

在前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”中，已经准备了一个Linux启动环境，但是缺少initramfs。我们可以做一个最简单的Hello World initramfs，来直观地理解initramfs。

Hello World的C程序如下，与普通的Hello World相比，加了一行while(1)。

#include <stdio.h>

void main()
{
    printf("Hello World\n");
    fflush(stdout);
    /* 让程序打印完后继续维持在用户态 */
    while(1);
}

编译helloworld.c程序

# gcc -static -o helloworld -m32 helloworld.c

• -static: On systems that support dynamic linking, this prevents linking with the shared libraries. //不让gcc动态链接shared libraries
• -m32: Generate code for a 32-bit or 64-bit environment //在前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”中Linux内核被编译成了32位架构，所以这里在gcc的选项中也编译成32位可执行程序

在64位机器上编译成32位程序，可能会报错如下：

In file included from /usr/include/stdio.h:27:0,
from helloworld.c:2:
/usr/include/features.h:374:25: fatal error: sys/cdefs.h: No such file or directory
# include <sys/cdefs.h>
^
compilation terminated.

解决方案是安装libc6-dev-i386包。

# apt-get install libc6-dev-i386

打包initramfs文件

# echo helloworld | cpio -o --format=newc > hwinitramfs

在qemu中启动编译好的内核，把hwinitramfs指定为initrd，在-append参数中将init指定为helloworld。

# qemu -kernel linux-3.18./arch/x86/boot/bzImage -initrd hwinitramfs -append "console=ttyS0 rdinit=helloworld" -nographic

系统能成功启动到输出"Hello World"，并且在用户态停住。结合前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”，可以看到qemu虚机中运行的Linux系统已经成功挂载了initramfs, 在console日志中也能看到“Unpacking initramfs...”。

参考

Custom Initramfs

GNU CPIO Manual