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。