Linux initrd 学习笔记

上回 提到可使用 initrd 实现两阶段启动，有啥好处呢？

• 访问根文件系统需要的附加驱动、内核模块和软件包等可以放到 initrd 中，基础内核保持小而精。
• 内核 + initrd 即可启动计算机基础环境，可实现不依赖目标系统环境的“独立应用”，如 ubuntu 网络安装程序，系统维护（恢复）环境等。

initrd 全称 "initial RAM disk"，详情参考 man initrd（更详细？）或
Linux initrd 文档。Linux 文档摘录如下：

initrd is mainly designed to allow system startup to occur in two phases,

where the kernel comes up with a minimum set of compiled-in drivers, and where additional modules are loaded from initrd.

加载 initrd 文件

可使用内核启动参数 initrd= 指定 initrd 文件路径（未测试）。
通常应使用引导器（如 GRUB）加载 initrd 并提供给内核 ，这样加载内核时不依赖文件系统，更清晰易用。
同样，qemu 虚拟机支持直接加载宿主机上的 initrd 文件。

执行 initrd

内核加载 initrd 为最初的根文件系统。
经测试加载 initrd 后会执行其 /init 文件，可以是脚本或二进制文件。
注意内核启动参数 init= 是设置系统 init 入口（默认 /sbin/init），不会影响 initrd init 入口（默认 /init）。
随后 initrd 可使用 pivot_root 切换到新的系统根目录。

initrd 的 init 脚本关键逻辑是挂载好 /proc 等关键系统目录和目标系统根目录，
如本机 initrd 的 init 脚本包含如下内容：

export PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin

[ -d /dev ] || mkdir -m 0755 /dev
[ -d /root ] || mkdir -m 0700 /root
[ -d /sys ] || mkdir /sys
[ -d /proc ] || mkdir /proc
[ -d /tmp ] || mkdir /tmp
mkdir -p /var/lock
mount -t sysfs -o nodev,noexec,nosuid sysfs /sys
mount -t proc -o nodev,noexec,nosuid proc /proc
# Some things don't work properly without /etc/mtab.
ln -sf /proc/mounts /etc/mtab

# ... ...
mountroot
# ... ...

# Move virtual filesystems over to the real filesystem
mount -n -o move /sys ${rootmnt}/sys
mount -n -o move /proc ${rootmnt}/proc

# Chain to real filesystem
exec run-init ${drop_caps} ${rootmnt} ${init} "$@" ${recovery:+--startup-event=recovery} <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console 2>&1

• mountroot 是相关脚本中定义的一个 shell 函数。
• run-init 是 initrd 上的一个二进制文件，其主要功能是执行 pivot_root 切换到目标系统根目录，并执行目标系统 init 。（？）

ubuntu 网络安装程序 initrd 则是挂载相关系统目录后直接执行系统 init（默认为 busybox init），其 initrd init 脚本内容如下：

#!/bin/sh -e
# used for initramfs
export PATH
. /lib/debian-installer/init-debug
debugshell "just booted"

mount /run
mkdir -p /run/lock
mount /proc
mount /sys
/lib/debian-installer/start-udev

init='/bin/busybox init'
for i in $(cat /proc/cmdline); do
    case $i in
        init=/init|init=init)
            # Avoid endless loop
            : ;;
        init=*)
            init=${i#init=} ;;
        noshell)
            sed -i '/^tty[23]/s/^/#/' /etc/inittab ;;
    esac
done
debugshell "before init"
exec $init

其中 /etc/inittab 启动安装程序配置如下：

# main setup program
::respawn:/sbin/reopen-console /sbin/debian-installer

• reopen-console 是一个脚本。尝试获取控制台并运行安装程序。

initrd 文档上提到，引入 pivot_root 之前的老内核上使用 change_root 机制，
即先执行 initrd 上的 /linuxrc，linuxrc 退出后自动挂载系统根目录（/proc/sys/kernel/real-root-dev 指定）并执行系统 init。
新内核启动参数 root= 不为 /dev/ram0 时可能兼容此行为。
新内核启动参数 root=/dev/ram0 时，直接执行 initrd 上的 /sbin/init，可使用 pivot_root 切换新系统目录。
以上两种方式均未测试成功，即无论 root= 如何设置，initrd 上的 /linuxrc 和 /sbin/init 都未被执行。
解开本机系统 initrd 文件看了下，只找一个 /init 文件。

$ find -name linuxrc -o -name init
./init

可见 上面提到的 initrd 相关描述已过时。

后来了解到 现代内核支持使用 cpio 文件 ，加载后即执行 /init，与 root= 设置无关。
cpio 文件实际上直接挂载为文件系统，所以又叫做 initramfs 。
这是一种技术革新，从挂载块设备变成直接挂载文件系统，同时去掉了 /dev/ram0。
很多时候依然统称为 initrd 。

手动制作 initrd 文件

initrd 既然是内存盘，可直接制作磁盘镜像（如之前使用的 sda.raw）作为 initrd 文件（未测试）。
现代内核还支持使用 cpio 文件（initramfs），这样制作更简便，将所有文件拷贝到一个目录下，打包 cpio 文件即可。

mkdir initrd
rsync -rtpLOi /bin/busybox -R initrd/
ln -sf /bin/busybox -T initrd/bin/sh
echo $'#!/bin/sh\n/bin/sh' > initrd/init
chmod +x initrd/init
( cd initrd && find . | cpio -o -H newc --file ../initrd.cpio )

• 注意：上述示例特意编写 /init 脚本执行 sh，避免 busybox 直接作为 init 执行，便于检查执行 initrd 时的原始状态。

同时清空 sda 系统盘，避免干扰：

mkfs.ext4 sda.raw -F

启动虚拟机：

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -smp 1 -m 1G -drive file=sda.raw,format=raw \
-kernel ./vmlinuz -initrd ./initrd.cpio -append "root=/dev/sda

结果如下：

• initrd 被挂载为 rootfs，这是一个可读写的内存盘。
• busybox sh 报 tty 无法访问，应该是因为 dev 未正确挂载（自动产生了一个 /dev/console 文件）（？）。

手动制作简单系统维护环境，只需要挂载好相关目录，使用 busybox 作为 init 即可。

使用 initramfs-tools

ubuntu 下使用 initramfs-tools 维护系统 initrd (initramfs) 文件，也可以制作自定义 initrd 文件。
参考 man initramfs-tools。

• mkinitramfs，制作 initrd 文件。
• lsinitramfs，查看 initrd 文件内容。
• update-initramfs，更新系统 initrd 文件。

拷贝系统 initramfs 配置，可修改制作自定义 initrd 文件而不影响系统配置。

rsync -ai /etc/initramfs-tools/ initramfs/
mkinitramfs -d initramfs/ -o initrd.img

制作的 initrd 文件默认逻辑为挂载根文件系统并启动系统（即执行根文件系统上的 init）。
可配置包含的内核模块和网络启动参数等，详情参考 man initramfs.conf 和默认 initramfs.conf 文件内容。

使用 initrd 启动目标系统

准备一个空根文件系统，创建相关系统目录，同样拷贝 busybox 测试：

mkfs.xfs -f sda.raw
sudo mount -o loop sda.raw /mnt/
( cd /mnt/ && sudo mkdir dev/ proc/ sys/ etc/ tmp/ var/ run/ -p && sudo chmod 1777 tmp/ )
sudo rsync -rtpLOi /bin/busybox -R /mnt/
sudo ln -s /bin/busybox /mnt/bin/sh
sudo umount /mnt/

尝试启动虚拟机：

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -smp 1 -m 1G -drive file=sda.raw,format=raw \
-kernel ./vmlinuz -initrd ./initrd.img -append "root=/dev/sda init=/bin/sh console=ttyS0" -nographic

• qemu 参数 -nographic, 不使用图形界面，这时虚拟机串口重定向到控制台。
  这非常方便我们在纯命令行下使用虚拟机，非常方便在控制台查看内核启动时的输出。

>-nographic

>Normally, QEMU uses SDL to display the VGA output. 

With this option, you can totally disable graphical output so that QEMU is a simple command line application.
The emulated serial port is redirected on the console and muxed with the monitor (unless redirected elsewhere explicitly).
Therefore, you can still use QEMU to debug a Linux kernel with a serial console.
Use C-a h for help on switching between the console and monitor.

• 内核参数 console=ttyS0 设置使用串口作为控制台，最终输出到执行 qemu 命令的控制台。

运行结果如下：

BusyBox v1.22.1 (Ubuntu 1:1.22.0-15ubuntu1) built-in shell (ash)
Enter 'help' for a list of built-in commands.

/bin/sh: can't access tty; job control turned off
/ # tty
/dev/console
/ # ls -l /dev/console /dev/ttyS0
crw-------    1 0        0           5,   1 Mar 21 16:14 /dev/console
crw-------    1 0        0           4,  64 Mar 21 16:13 /dev/ttyS0
/ # ls -l /proc/$$/fd/
total 0
lrwx------    1 0        0               64 Mar 21 16:14 0 -> /dev/console
lrwx------    1 0        0               64 Mar 21 16:14 1 -> /dev/console
lrwx------    1 0        0               64 Mar 21 16:14 2 -> /dev/console

/ # mount
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
proc on /proc type proc (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
udev on /dev type devtmpfs (rw,nosuid,relatime,size=487028k,nr_inodes=121757,mode=755)
devpts on /dev/pts type devpts (rw,nosuid,noexec,relatime,gid=5,mode=620,ptmxmode=000)
tmpfs on /run type tmpfs (rw,nosuid,noexec,relatime,size=101596k,mode=755)
/dev/sda on / type xfs (ro,relatime,attr2,inode64,noquota)

• 相关系统目录都已经正确挂载了，busybox sh 依然报 can't access tty，相关命令可以正常使用。
• 默认支持 xfs 文件系统（因为本机安装了 xfs 软件包？），根文件系统默认挂载为只读 (ro) 模式（？），添加内核参数 rw 可指定为可写模式。

initramfs-tools 可以非常简便的定制和创建可以启动系统的 initrd 文件，其自动处理了挂载系统目录，pivot_root 等相关事宜。

如何方便的创建可以独立运行的 initrd 文件（如 ubuntu 网络安装程序）呢？

友好排版可 阅读原文 。