使用初始 RAM 磁盘 (initrd)

由 Werner Almesberger <werner.almesberger@epfl.ch> 和 Hans Lermen <lermen@fgan.de> 于 1996 年、2000 年编写

initrd 提供了通过引导加载程序加载 RAM 磁盘的功能。然后可以将此 RAM 磁盘挂载为根文件系统，并从中运行程序。之后，可以从不同的设备挂载新的根文件系统。先前的根（来自 initrd）然后会被移动到一个目录，随后可以卸载。

initrd 的主要设计目的是允许系统启动分两个阶段进行，其中内核启动时具有最少的一组编译驱动程序，并且从 initrd 加载其他模块。

本文档简要概述了 initrd 的使用。有关启动过程的更详细讨论，请参见[1]。

操作

使用 initrd 时，系统通常按以下方式启动

  1. 引导加载程序加载内核和初始 RAM 磁盘

  2. 内核将 initrd 转换为“普通”RAM 磁盘并释放 initrd 使用的内存

  3. 如果根设备不是 /dev/ram0，则遵循旧的（已弃用）change_root 过程。请参阅下面的“过时的根更改机制”部分。

  4. 挂载根设备。 如果它是 /dev/ram0，则 initrd 镜像将作为根挂载

  5. 执行 /sbin/init（这可以是任何有效的可执行文件，包括 shell 脚本；它以 uid 0 运行，并且可以执行 init 可以做的所有事情）。

  6. init 挂载“真实”根文件系统

  7. init 使用 pivot_root 系统调用将根文件系统放置在根目录中

  8. init 在新的根文件系统上执行 /sbin/init，执行通常的启动顺序

  9. 删除 initrd 文件系统

请注意，更改根目录不涉及卸载它。因此，可以在该过程中将进程留在 initrd 上运行。另请注意，在 initrd 下挂载的文件系统仍然可以访问。

启动命令行选项

initrd 添加以下新选项

initrd=<path>    (e.g. LOADLIN)

  Loads the specified file as the initial RAM disk. When using LILO, you
  have to specify the RAM disk image file in /etc/lilo.conf, using the
  INITRD configuration variable.

noinitrd

  initrd data is preserved but it is not converted to a RAM disk and
  the "normal" root file system is mounted. initrd data can be read
  from /dev/initrd. Note that the data in initrd can have any structure
  in this case and doesn't necessarily have to be a file system image.
  This option is used mainly for debugging.

  Note: /dev/initrd is read-only and it can only be used once. As soon
  as the last process has closed it, all data is freed and /dev/initrd
  can't be opened anymore.

root=/dev/ram0

  initrd is mounted as root, and the normal boot procedure is followed,
  with the RAM disk mounted as root.

压缩的 cpio 镜像

最近的内核支持从压缩的 cpio 存档填充 ramdisk。在这样的系统上，ramdisk 镜像的创建不需要涉及特殊的块设备或环回；您只需在磁盘上创建一个具有所需 initrd 内容的目录，cd 到该目录，然后运行（例如）

find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > /boot/imagefile.img

检查现有镜像文件的内容同样简单

mkdir /tmp/imagefile
cd /tmp/imagefile
gzip -cd /boot/imagefile.img | cpio -imd --quiet

安装

首先，必须在“普通”根文件系统上创建一个用于 initrd 文件系统的目录，例如

# mkdir /initrd

名称不相关。 有关更多详细信息，请参见 pivot_root(2) 手册页。

如果在启动过程中创建根文件系统（即，如果您要构建安装软盘），则根文件系统创建过程应创建 /initrd 目录。

如果 initrd 在某些情况下不会被挂载，如果已创建以下设备，则仍然可以访问其内容

# mknod /dev/initrd b 1 250
# chmod 400 /dev/initrd

其次，必须编译内核，启用 RAM 磁盘支持和初始 RAM 磁盘支持。此外，至少必须将从 initrd 执行程序所需的所有组件（例如，可执行格式和文件系统）编译到内核中。

第三，您必须创建 RAM 磁盘镜像。 这是通过在块设备上创建文件系统，根据需要将文件复制到其中，然后将块设备的内容复制到 initrd 文件来完成的。 对于最近的内核，至少有三种类型的设备适合这样做

  • 软盘（到处都可以使用，但是速度非常慢）

  • RAM 磁盘（速度快，但会分配物理内存）

  • 环回设备（最优雅的解决方案）

我们将介绍环回设备方法

  1. 确保环回块设备已配置到内核中

  2. 创建适当大小的空文件系统，例如

    # dd if=/dev/zero of=initrd bs=300k count=1
# mke2fs -F -m0 initrd

    （如果空间至关重要，您可能需要使用 Minix FS 而不是 Ext2）

  3. 挂载文件系统，例如

    # mount -t ext2 -o loop initrd /mnt

  4. 创建控制台设备

    # mkdir /mnt/dev
# mknod /mnt/dev/console c 5 1

  5. 复制正确使用 initrd 环境所需的所有文件。 不要忘记最重要的文件 /sbin/init

    注意

    /sbin/init 权限必须包括“x”（执行）。

  6. 可以使用以下命令经常测试 initrd 环境的正确操作，即使没有重新启动也可以

    # chroot /mnt /sbin/init

    当然，这仅限于不干扰常规系统状态的 initrd（例如，通过重新配置网络接口、覆盖已挂载的设备、尝试启动已运行的守护程序等。但是请注意，通常可以在这样的 chroot 的 initrd 环境中使用 pivot_root。）

  7. 卸载文件系统

    # umount /mnt

  8. initrd 现在位于文件“initrd”中。或者，现在可以压缩它

    # gzip -9 initrd

为了进行 initrd 实验，您可能需要使用救援软盘，并且仅从 /sbin/init 添加到 /bin/sh 的符号链接。 或者，您可以尝试实验性的 newlib 环境 [2] 来创建小的 initrd。

最后，您必须启动内核并加载 initrd。几乎所有的 Linux 引导加载程序都支持 initrd。由于引导过程仍然与较旧的机制兼容，因此必须提供以下引导命令行参数

root=/dev/ram0 rw

（只有在写入 initrd 文件系统时才需要 rw。）

使用 LOADLIN，您只需执行

LOADLIN <kernel> initrd=<disk_image>

例如：

LOADLIN C:\LINUX\BZIMAGE initrd=C:\LINUX\INITRD.GZ root=/dev/ram0 rw

使用 LILO，您需要将选项 INITRD=<路径> 添加到全局部分或 /etc/lilo.conf 中相应内核的部分，并使用 APPEND 传递选项，例如：

image = /bzImage
  initrd = /boot/initrd.gz
  append = "root=/dev/ram0 rw"

并运行 /sbin/lilo

对于其他引导加载程序，请参阅相应的文档。

现在您可以启动并享受使用 initrd 的乐趣了。

更改根设备

完成其职责后，init 通常会更改根设备，并继续在“真正的”根设备上启动 Linux 系统。

该过程包括以下步骤

  • 挂载新的根文件系统

  • 将其转换为根文件系统

  • 删除对旧的 (initrd) 根文件系统的所有访问

  • 卸载 initrd 文件系统并释放 RAM 磁盘

挂载新的根文件系统很容易：只需将其挂载在当前根目录下的一个目录中即可。例如

# mkdir /new-root
# mount -o ro /dev/hda1 /new-root

根更改是通过 pivot_root 系统调用完成的，该调用也可以通过 pivot_root 实用程序获得（请参阅 pivot_root(8) 手册页；pivot_root 与 util-linux 版本 2.10h 或更高版本一起分发 [3]）。pivot_root 将当前根移动到新根下的一个目录，并将新根放在其位置。调用 pivot_root 之前，旧根的目录必须存在。例如

# cd /new-root
# mkdir initrd
# pivot_root . initrd

现在，init 进程仍然可以通过其可执行文件、共享库、标准输入/输出/错误及其当前根目录访问旧根。所有这些引用都通过以下命令删除

# exec chroot . what-follows <dev/console >dev/console 2>&1

其中 what-follows 是新根下的程序，例如 /sbin/init。如果新根文件系统将与 udev 一起使用并且没有有效的 /dev 目录，则必须在调用 chroot 之前初始化 udev，以便提供 /dev/console。

注意：pivot_root 的实现细节可能会随着时间的推移而更改。为了确保兼容性，应注意以下几点

  • 在调用 pivot_root 之前，调用进程的当前目录应指向新根目录

  • 使用 . 作为第一个参数，使用旧根目录的_相对_路径作为第二个参数

  • chroot 程序必须在旧根和新根下都可用

  • 之后 chroot 到新根

  • 在 exec 命令中使用 dev/console 的相对路径

现在，可以卸载 initrd，并且可以释放 RAM 磁盘分配的内存

# umount /initrd
# blockdev --flushbufs /dev/ram0

也可以将 initrd 与 NFS 挂载的根一起使用，有关详细信息，请参阅 pivot_root(8) 手册页。

使用场景

实现 initrd 的主要动机是为了允许在系统安装时进行模块化内核配置。该过程将按如下方式工作

  1. 系统从软盘或其他介质启动，使用最小内核（例如，支持 RAM 磁盘、initrd、a.out 和 Ext2 FS）并加载 initrd

  2. /sbin/init 确定需要什么来 (1) 挂载“真正的”根 FS（即设备类型、设备驱动程序、文件系统）和 (2) 分发介质（例如，CD-ROM、网络、磁带...）。这可以通过询问用户、自动探测或使用混合方法来完成。

  3. /sbin/init 加载必要的内核模块

  4. /sbin/init 创建并填充根文件系统（这不必是一个非常可用的系统）

  5. /sbin/init 调用 pivot_root 来更改根文件系统，并通过 chroot 执行一个继续安装的程序

  6. 安装引导加载程序

  7. 配置引导加载程序以加载 initrd，其中包含用于启动系统的模块集（例如，可以修改 /initrd，然后将其卸载，最后，将映像从 /dev/ram0 或 /dev/rd/0 写入文件）

  8. 现在系统是可引导的，可以执行其他安装任务

initrd 在这里的关键作用是在正常系统操作期间重用配置数据，而无需使用臃肿的“通用”内核或重新编译或重新链接内核。

第二个场景是用于在单个管理域中具有不同硬件配置的系统上运行 Linux 的安装。在这种情况下，最好只生成一小部分内核（理想情况下只有一个），并尽可能保持系统特定的配置信息尽可能小。在这种情况下，可以生成一个包含所有必要模块的通用 initrd。然后，只有 /sbin/init 或由其读取的文件才需要不同。

第三个场景是更方便的恢复磁盘，因为诸如根 FS 分区位置之类的信息不必在启动时提供，而是从 initrd 加载的系统可以调用用户友好的对话框，并且还可以执行一些健全性检查（甚至某种形式的自动检测）。

最后但并非最不重要的一点是，CD-ROM 分发商可以使用它来更好地从 CD 安装，例如，通过使用启动软盘并通过 CD 上的 initrd 引导更大的 RAM 磁盘；或者通过像 LOADLIN 这样的加载程序或直接从 CD-ROM 启动，并从 CD 加载 RAM 磁盘，而无需软盘。

过时的根更改机制

以下机制是在引入 pivot_root 之前使用的。当前内核仍然支持它，但您_不应_依赖其持续可用性。

它的工作原理是在 linuxrc 退出时，将“真正的”根设备（即在内核映像中用 rdev 设置的或在引导命令行中用 root=... 设置的设备）挂载为根文件系统。然后卸载 initrd 文件系统，或者，如果它仍然繁忙，则将其移动到目录 /initrd，如果新根文件系统上存在这样的目录。

为了使用此机制，您不必指定引导命令选项 root、init 或 rw。（如果指定，它们将影响真正的根文件系统，而不是 initrd 环境。）

如果挂载了 /proc，则可以通过将新根 FS 设备的编号写入特殊文件 /proc/sys/kernel/real-root-dev，从 linuxrc 中更改“真正的”根设备，例如

# echo 0x301 >/proc/sys/kernel/real-root-dev

请注意，该机制与 NFS 和类似文件系统不兼容。

这种旧的、已弃用的机制通常称为 change_root，而新的、受支持的机制称为 pivot_root。

混合 change_root 和 pivot_root 机制

如果您不想使用 root=/dev/ram0 来触发 pivot_root 机制，您可以在 initrd 映像中同时创建 /linuxrc 和 /sbin/init。

/linuxrc 将仅包含以下内容

#! /bin/sh
mount -n -t proc proc /proc
echo 0x0100 >/proc/sys/kernel/real-root-dev
umount -n /proc

一旦 linuxrc 退出，内核将再次将您的 initrd 挂载为根，这次执行 /sbin/init。同样，此 init 的职责是构建正确的环境（可能使用在 cmdline 上传递的 root= device），然后最终执行真正的 /sbin/init。

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