文件系统加载过程

linux文件系统初始化过程(1)---概述术语表：structtask：进程structmnt_namespace：命名空间structmount：挂载点structvfsmount：挂载项structfile：文件structsuper_block：超级块structdentry：目录structinode：索引节点一、目的linux文件系统主要分为三个部分：文件系统调用；虚拟文件系统(VFS)；挂载到VFS的实际文件系统。其中，VFS是核心，linux文件系统的本质就是在内存中创建一棵VFS树。当根目录被创建后，用户就可以使用系统调用在VFS上创建文件、删除文件、挂载各种文件系统等操作。该系列文章主要分析linux3.10文件系统初始化过程，分为三个阶段：1、挂载根文件系统(rootfs)；2、加载initrd；3、挂载磁盘文件系统；二、常用数据结构linux文件系统中重要的数据结构有：文件、挂载点、超级块、目录项、索引节点等。每个数据结构的具体实现请参见源代码，这里不再描述。为了直观的表示数据结构之间的关系，请参见图1：图中含有两个文件系统（红色和绿色表示的部分），并且绿色文件系统挂载在红色文件系统tmp目录下。一般来说，每个文件系统在VFS层都是由挂载点、超级块、目录和索引节点组成；当挂载一个文件系统时，实际也就是创建这四个数据结构的过程，因此这四个数据结构的地位很重要，关系也很紧密。由于VFS要求实际的文件系统必须提供以上数据结构，所以不同的文件系统在VFS层可以互相访问。如果进程打开了某个文件，还会创建file(文件)数据结构，这样进程就可以通过file来访问VFS的文件系统了。另外，该图只给出了主要的关系结构，忽略了部分细节。图1三、函数调用关系图2描述了文件系统初始化过程中主要的函数调用关系。linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段：1、vfs_caches_init()负责挂载rootfs文件系统，并创建了第一个挂载点目录：'/'；2、rest_init()负责加载initrd文件，扩展VFS树，创建基本的文件系统目录拓扑；3、init程序负责挂载磁盘文件系统，并将文件系统的根目录从rootfs切换到磁盘文件系统；图2四、总结linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段：挂载rootfs，提供第一个挂载点''/；加载initrd，扩展VFS树；执行init程序，完成linux系统的初始化。下面会详细介绍每个阶段的主要内容。linux文件系统初始化过程(2)---挂载rootfs文件系统一、目的本文主要讲述linux3.10文件系统初始化过程的第一阶段：挂载rootfs文件系统。rootfs是基于内存的文件系统，所有操作都在内存中完成；也没有实际的存储设备，所以不需要设备驱动程序的参与。基于以上原因，linux在启动阶段使用rootfs文件系统，当磁盘驱动程序和磁盘文件系统成功加载后，linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。二、主要函数调用过程图1描述了挂载rootfs的函数调用关系(图中红色部分)，便于后面的分析。从图中发现，在挂载rootfs前会先挂载sysfs，这样做的原因是确保sysfs能够完整的记录下设备驱动模型。sysfs_init()完成注册和挂载sysfs文件系统的功能；init_rootfs()负责注册rootfs，init_mount_tree()负责挂载rootfs，并将init_task的命名空间与之联系起来。图1三、linux文件系统初始化vfs_cache_init()首先建立并初始化目录hash表dentry_hashtable和索引节点hash表inode_hashtable；然后设置内核可以打开的最大文件数；最后调用mnt_init()完成sysfs和rootfs文件系统的注册和挂载。linux使用哈希表存储目录和索引节点，以提高目录和索引节点的查找效率；dentry_hashtable是目录哈希表，inode_hashtable是索引节点哈希表。四、挂载sysfs文件系统sysfs用来记录和展示linux驱动模型，sysfs先于rootfs挂载是为全面展示linux驱动模型做好准备。mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统，然后调用kobject_create_and_add()创建fs目录。下面详细介绍sysfs文件系统的挂载过程：1、sysfs_init()调用register_filesystem()注册文件系统类型sysfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。sysfs_fs_type定义如下，.mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的创建和初始化工作。173err=register_filesystem(&sysfs_fs_type);174if(!err){175sysfs_mnt=kern_mount(&sysfs_fs_type);176if(IS_ERR(sysfs_mnt)){177printk(KERN_ERRsysfs:couldnotmount!\n);178err=PTR_ERR(sysfs_mnt);179sysfs_mnt=NULL;180unregister_filesystem(&sysfs_fs_type);181gotoout_err;182}2、sysfs_init()-kern_mount()-vfs_kern_mount()创建并初始化structmount挂载点，并使用全局变量sysfs_mnt保存该挂载点的挂载项(mnt成员)。3、kern_mount()调用sysfs_fs_type的.mount成员sysfs_mount()创建并初始化超级块、根目录'/'、根目录的索引节点等数据结构；并且把超级块添加到全局单链表super_blocks中，把索引节点添加到hash表inode_hashtable和超级块的inode链表中。目前，我们可以得出一个重要结论：kern_mount()主要完成挂载点、超级块、根目录和索引节点的创建和初始化操作，可以看成是一个原子操作，这个函数以后会频繁使用。796mnt-mnt.mnt_root=root;797mnt-mnt.mnt_sb=root-d_sb;798mnt-mnt_mountpoint=mnt-mnt.mnt_root;799mnt-mnt_parent=mnt;5、mnt_init()调用kobject_create_and_add()创建fs目录。通过以上步骤，sysfs文件系统在VFS中的视图如图2所示：挂载点指向超级块和根目录；超级块处在super_blocks单链表中，并且链接起所有属于该文件系统的索引节点；根目录'/'和目录fs指向各自的索引节点；为了提高查找效率，索引节点保存在hash表中。图2五、挂载rootfs文件系统mnt_init()调用init_rootfs()注册rootfs，然后调用init_mount_tree()挂载rootfs。下面详细介绍rootfs文件系统的挂载过程：1、mnt_init()调用init_rootfs()注册文件系统类型rootfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。rootfs_fs_type定义如下，mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的建立和初始化工作。2、init_mount_tree()调用vfs_kern_mount()挂载rootfs文件系统，详细的挂载过程与sysfs文件系统类似，不再赘述。3、init_mount_tree()调用create_mnt_ns()创建命名空间，并设置该命名空间的挂载点为rootfs的挂载点，同时将rootfs的挂载点链接到该命名空间的双向链表中。4、init_mount_tree()设置init_task的命名空间，同时调用set_fs_pwd()和set_fs_root()设置init_task任务的当前目录和根目录为rootfs的根目录'/'。通过以上分析，我们发现sysfs和rootfs的区别在于：虽然系统同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于init_task进程的命名空间内，也就是说系统当前实际使用的是rootfs文件系统。此时，sysfs和rootfs在VFS中的视图如图3所示：为了突出主要关系，省略了挂载点指向超级块和根目录。从图中看出，rootfs处于进程的命名空间中，并且进程的fs_struct数据结构的root和pwd都指向了rootfs的根目录'/'，所以用户实际使用的是rootfs文件系统。另外，rootfs为VFS提供了'/'根目录，所以文件操作和文件系统的挂载操作都可以在VFS上进行了。图3六、总结linux文件系统在初始化时，同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于进程的命名空间中，且进程的root目录和pwd目录都指向rootfs的根目录。至此，linux的VFS已经准备好了根目录(rootfs的根目录'/')，此时用户可以使用系统调用对VFS树进行扩展。linux文件系统初始化过程(3)---加载initrd(上)一、目的本文主要讲述linux3.10文件系统初始化过程的第二阶段：加载initrd。initrd是一个临时文件系统，由bootload负责加载到内存中，里面包含了基本的可执行程序和驱动程序。在linux初始化的初级阶段，它提供了一个基本的运行环境。当成功加载磁盘文件系统后，系统将切换到磁盘文件系统并卸载initrd。如果是嵌入式设备，那么最终的文件系统就是initrd。二、cpio文件格式initrd常用的的文件格式是cpio，cpio格式记录了文件系统的结构和内容。cpio格式具体定义如图1所示：cpio格式的文件由段组成，最后一个段比较特殊，文件名为”TRAILER!!!”。每个段都由文件头、文件名和文件体组成；文件名和文件体的长度由文件头中的name_len和body_len指定，并且文件名和文件体需要按指定字节对齐，所以尾部包含padding。文件头共110个字节，头6个字节固定为070701，剩下字节的含义分别为：索引节点号、文件模式、用户id、组id、链接数、时间戳、文件体长度、主设备号、次设备号、设备号、文件名长度、保留字段。其他详细情况请参见init/initramfs.c文件，这里不再描述。图1三、initrd文件实例为了更直观的理解cpio格式的initrd文件，下面看一个实例。在ubuntu环境中，boot目录下存放着经过压缩的cpio格式文件initrd。将boot目录下的initrd文件拷贝到任意目录下，重名为为initrd.gz，并且使用gunzip解压。这样我们就得到了一个cpio格式的initrd文件，使用vi查看文件内容如图2所示(由于文件太大，只展示了部分内容)：简单分析后显示该文件包含了script/nfs-top目录、script/nfs-top/ORDER文件、script/nfs-top/udev文件、run目录、标志cpio结束的TRAILER!!!文件。图2四、解压initrd文件initrd经过gunzip解压后，可以使用cpio工具解压cpio格式的文件。命令如下：1.root:cpio-idmvinitrd解压成功后，使用ls命令查看initrd文件内容如图3所示：bin和sbin目录下包含基本的可执行程序；conf和etc目录下是配置文件；lib目录下是可执行程序使用的动态库；scripts目录下是脚本程序；init程序。initrd必须提供一个init程序，linux在加载完initrd后，会跳转到init程序，由init程序负责后面的初始化工作。图3五、总结本文详细介绍了cpio格式的initrd文件，以及解压后各个目录的含义。initrd文件系统