Linux系统启动详解（二）

上节讲到了Linux启动大体流程，及grub的作用，本节主要扯扯initramfs的那些事，并且通过简单修改initramfs，将整体操作系统运行到了内存中。

3       initramfs

3.1     简述

　　在2.4内核中initrd为boot loader initialized RAM Disk，linux启动前boot loader先将initrd文件解压，并加载到内存中。boot loader加载内核后，会先运行initrd，再switch_root到真正root fs。

　　在2.6内核中将initrd升级为initramfs，与initrd相比其作用相同，但是initramfs流程更加简洁，即解压initramfs后，运行init脚本，所以任务交由init脚本来完成。

更多initrd与initramfs的说明可参见文献[3]。

[3]:Linux2.6内核的Initrd机制解析http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-k26initrd/

3.2     init基本流程

　　initramfs的真正作用加载硬件模块和文件系统模块，用于切换到root device上的真正的root fs上。当然由于root fs应该支持存在于md或者dm设备上，所以在initramfs期间也会加载md和dm模块，如果md编译进行了内核的话，从加载的模块中是查看不到的。

以下是通过在initramfs中的init文件中添加log，分析一个大概的开机流程，非细节。

1)         解压并加载initramfs到内存后，当前root fs就是initramfs，所以/下所有文件都来源于initramfs。

2)         通过挂载/proc和/sys；mknod创建基本的设备/dev/console、/dev/null等。

3)         udev规则对硬件进行扫描，加载对应模块，创建对应设备，对于grub.conf中设置的root设备，若创建成功，则会在/dev/下创建/dev/root的链接指向对应真实设备。

4)         与此同时，无限循环判断/dev/root是否已存在，若不存在，再次执行所有udev规则，尝试是否有新硬件已准备就绪，判断40次后（约20秒），仍未找到，则报出“no root device fonud, sleep forever”

5)         通过root device挂载真正的root fs。

6)         判断/proc目录是否存在，作为root fs已挂载成功的标准（此时的/proc仅仅是个空目录）。

7)         判断真正的root fs的init脚本是否存在，一般是/sbin/init

8)         root fs已挂载到/sysroot目录后，执行switch_root /sysroot /sbin/init。

9)         switch_root命令执行后，initramfs的任务全部完成，切换到真正的root fs，开始执行/sbin/init

3.3     initramfs过程中的模块加载情况

begin init:

Opening /proc/modules: No such file or directory

pre udev:

Module                  Size  Used by

after udev:

Module                  Size  Used by

sd_mod                 37157  0

crc_t10dif              1507  1 sd_mod

sr_mod                 16162  0

cdrom                  39769  1 sr_mod

mptspi                 16537  0

mptscsih               35302  1 mptspi

mptbase                91106  2 mptspi,mptscsih

scsi_transport_spi     26117  1 mptspi

pata_acpi               3667  0

ata_generic             3611  0

ata_piix               22588  0

dm_mod                 76856  0

after mount root fs, before switch root:

Module                  Size  Used by

ext4                  353883  1

mbcache                 7918  1 ext4

jbd2                   88969  1 ext4

sd_mod                 37157  2

crc_t10dif              1507  1 sd_mod

sr_mod                 16162  0

cdrom                  39769  1 sr_mod

mptspi                 16537  1

mptscsih               35302  1 mptspi

mptbase                91106  2 mptspi,mptscsih

scsi_transport_spi     26117  1 mptspi

pata_acpi               3667  0

ata_generic             3611  0

ata_piix               22588  0

dm_mod                 76856  0

3.4     initramfs的解压&&压缩

1、  解压：

-bash-4.1# file initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img: gzip compressed data, from Unix, last modified: Tue Dec 18 17:25:14 2012, max compression

# gzip文件格式，所以需要先mv为gz文件

-bash-4.1# mv initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img.gz

-bash-4.1# file initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)

-bash-4.1# gunzip initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img.gz

initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

#此时为cpio格式

-bash-4.1# mkdir initramfs

-bash-4.1# cd initramfs

-bash-4.1# cpio -id ../initramfs

initramfs/                                 initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

-bash-4.1# cpio -id < ../initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

72953 blocks

2、  压缩：

-bash-4.1# find . | cpio -c -o > ../initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

72953 blocks

-bash-4.1# gzip ../initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

-bash-4.1# cp ../initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img.gz /boot

3.5     实例---将整个操作系统运行在内存

　　以下使用方案并未真正应用，以下纯属个人理解，供参考。

3.5.1  优点 && 缺点

1、优点：

1)         运行速度更快。开机后，由于系统运行在内存，运行速度要更快。

2)         文件系统不会损坏。系统异常断电，或者其它破坏操作，不会引起操作系统损坏。

3)         节省存储介质空间。操作系统可以进行压缩后存放在可存储介质中（压缩率约80%），甚至可以存放在网络环境上，开机后，解压再到内存。

4)         便于多台系统统一升级升级。若系统压缩文件存放在网络环境上，那么文件升级，使用这个文件的任意台设备升级过程就仅仅是重启就可以做到。

2、缺点：

1)         开机速度略慢。由于启动过程需要将操作系统解压到内存，会略慢一点，约10 ~ 20秒不明显。

2)         root fs无法存储数据。由于系统运行在内存，重启后新存储的丢失。因此，一般需要存储数据的分区单独挂载一个非易失的介质上。

3)         内存要求更大。由于内存固定部分会划分一个ram disk，用于运行操作系统。对于操作系统就需要900M空间的应用，内存2G就不足以支撑整个系统。

4)         更新系统较麻烦。对于需要频率更改系统的环境，若要生效，需要重新制作压缩文件，较麻烦。

3.5.2  应用场景

　　目前嵌入式系统大多使用此方案，应该是基于其较小的存储空间，及无用户写入数据要求而决定的。（本人不是做嵌入式的，纯属个人猜测哈）

3.5.3  实现思路

思路一：就是把整体系统做成initramfs。（未测试）

　　initramfs就是一个小文件系统，也是开机第一个加载的文件系统，所以把整体系统都做成initramfs，那么系统启动只需要2个文件即可，一是内核vmlinux；二是initramfs。

　　也就是说在initramfs最后要切换到真正的root fs时，不切换到了，直接运行系统中的/sbin/init。

　　但是initramfs可能会达到300M（root fs900M左右），boot loader会不会需要加载很长时间？

思路二：在initramfs运行过程中，将压缩的系统解压并复制到内存中运行

　　在上节已说明initramfs其实就是执行一个init脚本，简单修改脚本流程。当寻到到root device设备后，将挂载root device挂载到/sysroot修改为，挂载root device到其它挂载点，再从root device中找到之前制作的压缩的系统文件，将文件解压到ramdisk中，挂载ramdisk到/sysroot，再切换到真正的root fs。

3.5.4  实现代码

　　以下仅根据思路二为基本，完成的一个简单模型。

　　将系统文件解压并复制到内存，那么先得将真正的root fs制作为一个系统文件，再通过initramfs的过程将其加载到内存。

1、  root fs文件ramlinux.img.gz的制作。

　　开始只将参考资料[2]中文件制作为了ramlinux.img.gz（压缩后约80M，解压后给不到200M），开机系统就panic，想必是应该缺少文件导致，所以，就将整个/下所有文件都制作到ramdisk.img.gz中，系统正常运行。

　　制作ramdisk.img.gz的脚本为mkrootfs.sh如下：

#!/bin/sh

rootfs="/mnt/ram"

umount $rootfs

rm -rf $rootfs

# make ram disk and mount

dd if=/dev/zero of=/dev/ram bs=1M count=900

echo y | mkfs.ext2 /dev/ram

mkdir $rootfs

mount -o loop /dev/ram $rootfs

# cp file to ram disk

pre_dir="/"

#pre_dir="/mnt/sdf1/"

# all file in dir cp to ram disk

cpdir=(bin boot cgroup etc home lib lib64 media opt sbin selinux srv usr var)

for dir_i in ${cpdir[@]}

do

echo "cp -av $pre_dir$dir_i $rootfs"

cp -av $pre_dir$dir_i $rootfs

done

# just mkdir, not cp file

mkdir=(proc sys tmp mnt root)

for dir_j in ${mkdir[@]}

do

echo "mkdir $rootfs/$dir_j"

mkdir $rootfs/$dir_j

done

# create dev device

mkdir $rootfs/dev

dev=`find /dev`

for dev_i in ${dev[@]}

do

if [ $dev_i = "/dev/ram" -o $dev_i = "/dev" ]

then

echo "find $dev_i pass........................................... "

continue

fi

echo "cp -R $dev_i $rootfs/dev"

cp -R $dev_i $rootfs/dev

done

# do ramlinux.img from ram disk

umount $rootfs

dd if=/dev/ram of=/mnt/bigspace/ramlinux.img bs=1M

gzip /mnt/bigspace/ramlinux.img

2、  initramfs加载root fs文件ramlinux.img.gz。

　　initramfs挂载真正的root fs，是通过执行initramfs的mount目录下的*.sh来完成的，在mount目录下加入98mount-ramdisk.sh，移除99mount-root.sh(原挂载root device到/sysroot的脚本)。由98mount-ramdisk.sh来完成系统文件的解压，及挂载。

　　98mount-ramdisk.sh如下：

#!/bin/sh

echo "Mount root device for get img file"

mount -o defaults --rw /dev/root /mnt

echo "zcat img file to ram"

/bin/zcat /mnt/root/ramlinux.img.gz > /dev/ram

umount /mnt

echo "mount -o loop /dev/ram /sysroot"

mount -o loop /dev/ram /sysroot

echo "ls /sysroot"

/bin/ls /sysroot/

[ -d "/sysroot/proc" ] || echo "proc not exist 5555555555555555555........"

3、  完成以上步骤后，将initramfs解压，拷贝98mount-ramdisk.sh到mount目录下，删除99mount-root.sh，重新生成initramfs，覆盖/boot下的原文件，重启即生效。

4、  其它注意。由于解压ramlinux.img需要zcat命令，但此命令initramfs中未加入，因此，还需要从系统中拷贝zcat命令到initramfs的bin目录下。（拷贝命令前，需要通过ldd /bin/zcat查看该命令是否有对应动态链接库，如果有要一并cp-R到initramfs的对应目录下，否则仅拷贝命令，命令是无法执行的）

5、  重启后的系统环境：

a)         重启后，系统从挂载信息即可看出当前系统已运行在内存中，并且touch的新文件，重启无未保存，挂载信息如下：

-bash-4.1# df -h

Filesystem            Size  Used Avail Use% Mounted on

/dev/sda1             886M  886M     0 100% /

tmpfs                 2.0G   52M  1.9G   3% /dev/shm

/dev/sda2             146M   32M  106M  24% /var/log

 (/的挂载设备应该不是/dev/sda1，应该是df命令在当前模型下显示的问题，应该是/dev/ram，由于只是简单模型搭建，很多配置未修改成导致。)

b)         /dev/sda1是grub.conf中设置的root device，也是ramlinux.img文件真正存储的介质。

-bash-4.1# cat /boot/grub/grub.conf

# grub.conf generated by anaconda

#

# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file

# NOTICE:  You do not have a /boot partition.  This means that

#          all kernel and initrd paths are relative to /, eg.

#          root (hd0,0)

#          kernel /boot/vmlinuz-version ro root=/dev/sda1

#          initrd /boot/initrd-[generic-]version.img

#boot=/dev/sda

default=0

timeout=5

splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz

hiddenmenu

title SkySAN Storage System (2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64)

root (hd0,0)

kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64 ro root=UUID=212c95a4-56d0-44fc-93ce-73b5f3e8cf2a rd_NO_LUKS rd_NO_LVM rd_NO_MD rd_NO_DM LANG=en_US.UTF-8 SYSFONT=latarcyrheb-sun16 KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us

initrd /boot/initramfs-2.6.32-71.el6.5.vsds.x86_64.img

3.6     init脚本中加入log信息

　　在理解init脚本过程中，为了更深入的理解init的作用，及当前环境状态，往往需要打印一些我们自己需要的信息，在打印到屏幕的同时，如果可能保存文件，便于多次阅读更好。

方法如下：

logfile="/tmp/logfile"

# tee用于将输出到屏幕的信息，同时保存文件，-a：不覆盖文件原内容，相当于>>

echo "begin init -------------------------------------------------------" 2>&1 | tee -a $logfile

lsmod 2>&1 | tee -a $logfile

sleep 5

……

#在swith_root前，将文件拷贝到/dev/目录下，切换到root fs后，可以保留。

cp $logfile /dev/

exec switch_root "$NEWROOT" "$INIT" $initargs

……