linux文件系统初始化过程(4)---加载initrd(中)
一、目的
上文详细介绍了CPIO格式的initrd文件,本文从源代码角度分析加载并解析initrd文件的过程。
initrd文件和linux内核一般存储在磁盘空间中,在系统启动阶段由bootload负责把磁盘上的内核和initrd加载到指定的内存空间中;然后,再由内核读取和解析initrd文件,在VFS(目前只有rootfs的根目录)中新建目录、常规文件、符号链接文件以及特殊文件;这样VFS就从根目录"/"成长为一棵枝繁叶茂的大树了。
二、函数调用过程
initrd详细的加载过程在init/initramfs.c中实现的,为了更好的理解加载过程,我们给出了关键函数的调用关系图1。这里需要注意下,由于使用roofs_initcall()宏在initcallroofs段中注册了populate_rootfs()函数,因此在执行do_initcalls()函数时会隐示调用populate_rootfs()。
图1
三、initcall简介
linux在代码段中定义了一个特殊的段initcall,该段中存放的都是函数指针;linux初始化阶段调用do_initcalls()依次执行该段的函数。关于该段的详细信息可以参见vmlinux.lds.S链接脚本。
用户可以调用以下一组宏在initcall段中注册函数指针;initcall段分为initcall0-initcall7这8个等级,initcall0段的优先级最高,initcall7段的优先级最低,优先级高的段最先被执行;initcallrootfs段优先级介于5和6之间。
#define __define_initcall(fn, id) \
static initcall_t __initcall_##fn##id __used \
__attribute__((__section__(".initcall" #id ".init"))) = fn
#define early_initcall(fn) __define_initcall(fn, early) #define pure_initcall(fn) __define_initcall(fn, 0) #define core_initcall(fn) __define_initcall(fn, 1)
#define core_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 1s)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall(fn, 2)
#define postcore_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 2s)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall(fn, 3)
#define arch_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 3s)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall(fn, 4)
#define subsys_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 4s)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 5)
#define fs_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 5s)
#define rootfs_initcall(fn) __define_initcall(fn, rootfs)
#define device_initcall(fn) __define_initcall(fn, 6)
#define device_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 6s)
#define late_initcall(fn) __define_initcall(fn, 7)
#define late_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 7s)
用户使用不同优先级的initcall宏可以很方便的在linux代码中注册函数指针;将这些函数指针存储在相应的initcall段中;最终,由do_initcalls()按照优先级依次执行段中的函数,具体的代码实现如下:
static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {
__initcall0_start,
__initcall1_start,
__initcall2_start,
__initcall3_start,
__initcall4_start,
__initcall5_start,
__initcall6_start,
__initcall7_start,
__initcall_end,
}; int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)
{
int ret;
ret = fn();
} static void __init do_initcall_level(int level)
{
initcall_t *fn;
...
for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+]; fn++)
do_one_initcall(*fn);
} static void __init do_initcalls(void)
{
int level; for (level = ; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - ; level++)
do_initcall_level(level);
}
回到加载initrd这个话题中,在init/initram.c的最后使用rootfs_initcall宏注册了populate_rootfs()函数;基于以上分析,我们知道这里就是加载initrd文件的入口,下面就开始分析该函数的功能。
rootfs_initcall(populate_rootfs);
四、加载initrd文件
系统启动阶段,bootload将initrd加载到内存起始地址为initrd_start,结束地址为initrd_end的内存中。
populate_rootfs()调用unpack_to_rootfs()从内存中读取并解析initrd文件;根据CPIO的格式我们知道initrd文件是由很多个段组成,且段中又是由文件头、文件名和文件体组成,因此该解析程序可以使用了状态机原理处理initrd文件。
解析程序定义了以下8种状态:Start(初始状态)、Collect(获取符号链接文件信息状态)、GotHeader(获取文件头信息状态)、SkipIt(跳过该段状态)、GotName(获取文件名并新建文件状态)、CopyFile(写文件状态)、GotSymlink(新建符号链接文件状态)、Reset(终止状态)。
static __initdata int (*actions[])(void) = {
[Start] = do_start,
[Collect] = do_collect,
[GotHeader] = do_header,
[SkipIt] = do_skip,
[GotName] = do_name,
[CopyFile] = do_copy,
[GotSymlink] = do_symlink,
[Reset] = do_reset,
};
为了直观理解initrd文件的解析过程,下面给出状态机跳转图2。
从图中可以看出将文件分为符号链接和非符号链接两种情况处理,这是因为符号链接文件是一种特殊的文件,只有第一个符号链接文件的inode存储的是真实数据,而其他符号链接文件inode中存储的是第一个符号链接文件的路径名,因此需要把第一个符号链接文件的路径名缓存起来,缓存的数据结构是hash表,所以在处理符号链接文件时多了一些hash表的操作,因此分为了符号链接文件和非符号链接文件这两种情况来处理。
initrd文件的详细解析过程如下:
1、S0:初始状态,初始化一些全局变量;
2、S1:获取符号链接文件的文件头和文件体;
3、S2:根据CPIO格式的定义,获取文件头信息;
4、S3:跳过当前CPIO格式的段,继续处理下一个段;
5、S4:获取文件名,并在VFS中新建文件;
6、S5:将文件内容写入到新建文件中;
7、S6:新建符号链接文件;
8、S7:处理完当前CPIO格式的段,继续一个段的处理。
从图中还可以看出,由于目录文件和特殊文件没有文件内容,因此跳过了S5状态,直接进入S3状态。
图2
五、总结
通过以上分析,程序就可以成功解析initrd文件,并使用sys_dir()、sys_open()、sys_mknod()、sys_symlink()等系统调用新建目录、常规文件、特殊文件和符号链接文件了。此时,VFS从只有根目录"/"成长为了一棵内容丰富的大树。
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