Linux 根文件系统的挂载分析
hackerlpy 2011-10-18
在介绍根文件系统挂载之前先介绍一些基础知识
initramfs
当linux内核启动后，会找到并执行第一个用户程序，一般是init。这个程序存在于文件系统当中，文件系统存在于设备上，但不知道init存在哪个设备上，于是有了内核命令列选项root=，用来指定root文件系统存在于哪个设备上。
然后由于后来的设备类型越来越来多，比如可能在scsi,sata,flash这些设备，还有的存在于网络设备上，不可能把这些设备的驱动编译进内核，这样内核就会越来越来大。为了解决这些问题，出现了基于ram的文件系统，initramfs,这个文件系统可以包含多个目录和程序init,然后通过这个程序，内核再用这个程序去挂载真正的要文件系统。如果没有这个程序，内核可以来寻找和挂载一个根分区，接着执行一些/sbin/init的变种。
ramfs
ramf是一个小型的基于内存的文件系统，由于linux中页的数据被缓存在内存中，然后标识为可用，为防止别用，ramfs就是基于这种机制产生的。只是放在ramfs中的目录和页的缓存，不在写回。
rootfs
rootfs是一种特定的ramfs的实例，它一直存在于系统中，不能卸载。大部分其他的文件系统安装于rootfs之上。
initramfs和rootfs之间的关系
当内核启动的时候，会先注册和挂载一个虚拟的根文件系统，也就是rootfs，然后会把做好的initramfs(这个可以自己制作)中的文件解压到rootfs中。然后系统会挂载真的根文件系统，rootfs隐藏之后。
我的开发板上的u-boot传送的参数为noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=64M。
noinitrd的含义
(仅当内核配置了选项 CONFIG_BLK_DEV_RAM和CONFIG_BLK_DEV_INITRD)现在的内核都可以支持initrd了，引导进程首先装载内核和一个初始化的ramdisk，然后内核将initrd转换成普通的ramdisk，也就是读写模式的根文件系统设备。然后linuxrc执行，然后装载真正的根文件系统，之后ramdisk被卸载，最后执行启动序列，比如/sbin/init。
选项noinitrd告诉内核不执行上面的步骤，即使内核编译了initrd，而是把initrd的数据写到 /dev/initrd，只是这是一个一次性的设备。
01void __init vfs_caches_init(unsigned long mempages)
02{
03 unsigned long reserve;
04
05 /* Base hash sizes on available memory, with a reserve equal to
06 150% of current kernel size */
07
08 reserve = min((mempages - nr_free_pages()) * 3/2, mempages - 1);
09 mempages -= reserve;
10
11 names_cachep = kmem_cache_create("names_cache", PATH_MAX, 0,
12 SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL);
13
14 dcache_init();
15 inode_init();
16 files_init(mempages);
17 mnt_init();
18 bdev_cache_init();
19 chrdev_init();
20}
第14行为页目录缓存的初始化
第15行索引结点缓存的初始化
第16行文件的初始化
第17行虚拟文件系统挂载的初始化
第18行块设备缓存初始化。
第19行字符设备初始化
01void __init mnt_init(void)
02{
03 unsigned u;
04 int err;
05
06 init_rwsem(&namespace_sem);
07
08 mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct vfsmount),
09 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);
10
11 mount_hashtable = (struct list_head *)__get_free_page(GFP_ATOMIC);
12
13 if (!mount_hashtable)
14 panic("Failed to allocate mount hash table\n");
15
16 printk("Mount-cache hash table entries: %lu\n", HASH_SIZE);
17
18 for (u = 0; u < HASH_SIZE; u++)
19 INIT_LIST_HEAD(&mount_hashtable[u]);
20
21 err = sysfs_init();
22 if (err)
23 printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
24 __func__, err);
25 fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
26 if (!fs_kobj)
27 printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
28 init_rootfs();
29 init_mount_tree();
30}
第6行命明空间信号量的初始化
第8行分配空间
第11行挂载点哈希表分配空间
第18行初始化所有的挂载点哈希表。
第25行生成名为fs的kobject对象。
第28行初始化rootfs文件系统
第29行初始化mount树
第一部分 rootfs文件系统的注册
01int __init init_rootfs(void)
02{
03 int err;
04
05 err = bdi_init(&ramfs_backing_dev_info);
06 if (err)
07 return err;
08
09 err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);
10 if (err)
11 bdi_destroy(&ramfs_backing_dev_info);
12
13 return err;
14}
第5行初始化
第9行注册rootfs文件系统
1static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
2 .name = "rootfs",
3 .get_sb = rootfs_get_sb,
4 .kill_sb = kill_litter_super,
5};
第二部分挂载rootfs文件和创建根目录
01static void __init init_mount_tree(void)
02{
03 struct vfsmount *mnt;
04 struct mnt_namespace *ns;
05 struct path root;
06
07 mnt = do_kern_mount("rootfs", 0, "rootfs", NULL);
08 if (IS_ERR(mnt))
09 panic("Can't create rootfs");
10 ns = kmalloc(sizeof(*ns), GFP_KERNEL);
11 if (!ns)
12 panic("Can't allocate initial namespace");
13 atomic_set(&ns->count, 1);
14 INIT_LIST_HEAD(&ns->list);
15 init_waitqueue_head(&ns->poll);
16 ns->event = 0;
17 list_add(&mnt->mnt_list, &ns->list);
18 ns->root = mnt;
19 mnt->mnt_ns = ns;
20
21 init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
22 get_mnt_ns(ns);
23
24 root.mnt = ns->root;
25 root.dentry = ns->root->mnt_root;
26 set_fs_pwd(current->fs, &root);
27 set_fs_root(current->fs, &root);
28}
这个函数的主要作用是是生成/目录的。
第3行定义一个挂载点
第4行定义一个命名空间
第5行定义一个根路径
第7行挂载rootfs文件系统，返回挂载点
第10行为命名空间分配空间
第13行设定命名空间的引用数为1
第14行初始化命名空间链表
第15行初始化等待对列
第18行命名空间的根结点指向挂载点
第19行挂载点指向命名空间
第21行第一个进程的命名空间第向刚才初始化的。
第24行路径的挂载点为命名空间的根结点
第25行路径的目录为命名空间所指向的挂载点的根目录
第26行设置/目录为当前的目录
第27行设置/目录为根目录
01struct vfsmount * do_kern_mount(const char *fstype, int flags, const char *name, void *data)
02{
03 struct file_system_type *type = get_fs_type(fstype);
04 struct vfsmount *mnt;
05
06 if (!type)
07 return ERR_PTR(-ENODEV);
08 mnt = vfs_kern_mount(type, flags, name, data);
09
10 if (!IS_ERR(mnt) && (type->fs_flags & FS_HAS_SUBTYPE) &&
11 !mnt->mnt_sb->s_subtype)
12 mnt = fs_set_subtype(mnt, fstype);
13 put_filesystem(type);
14 return mnt;
15}
do_kern_mount的参数介绍
fstype 要安装的文件系统的类型名
flag 安装的标志
name 存放文件系统的块设备的路径名
data 指向传递给文件系统中read_super方法的附加指针
第3行得到文件系统的类型，这里是rootfs,当然也会有其它的文件系统，比如proc,pipefs等
第8行返回挂载点
第13行增加对文件系统的引用
01struct vfsmount *
02vfs_kern_mount(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void *data)
03{
04 struct vfsmount *mnt;
05 char *secdata = NULL;
06 int error;
07
08 if (!type)
09 return ERR_PTR(-ENODEV);
10
11 error = -ENOMEM;
12 mnt = alloc_vfsmnt(name);
13 if (!mnt)
14 goto out;
15
16 if (data && !(type->fs_flags & FS_BINARY_MOUNTDATA)) {
17 secdata = alloc_secdata();
18 if (!secdata)
19 goto out_mnt;
20
21 error = security_sb_copy_data(data, secdata);
22 if (error)
23 goto out_free_secdata;
24 }
25
26 error = type->get_sb(type, flags, name, data, mnt);
27 if (error < 0)
28 goto out_free_secdata;
29 BUG_ON(!mnt->mnt_sb);
30
31 error = security_sb_kern_mount(mnt->mnt_sb, flags, secdata);
32 if (error)
33 goto out_sb;
34
35 mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt_root;
36 mnt->mnt_parent = mnt;
37 up_write(&mnt->mnt_sb->s_umount);
38 free_secdata(secdata);
39 return mnt;
40out_sb:
41 dput(mnt->mnt_root);
42 deactivate_locked_super(mnt->mnt_sb);
43out_free_secdata:
44 free_secdata(secdata);
45out_mnt:
46 free_vfsmnt(mnt);
47out:
48 return ERR_PTR(error);
49}
第4行定义挂载点
第12行分配一个新的已安装文件系统的描述符，存放在局部变量mnt中
第26行调用文件系统get_sb回调函数，这里是rootfs_get_sb，来初始化一个新的超级块，同时会创建/目录.后面会单独介绍
第35行挂载点根目录指向与文件系统根目录对应的目录项对象的地址
第36行挂载点父目录指向自己
第39行返回局部变量mnt
