使用初始 RAM 盘 (initrd)

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

initrd 提供了通过引导加载程序加载 RAM 盘的功能。然后可以将此 RAM 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一个新的根文件系统。先前的根目录（来自 initrd）随后会被移动到一个目录中，并可以在之后被卸载。

initrd 的主要设计目的是允许系统启动分两个阶段进行：内核带着一套最基础的内置驱动启动，然后从 initrd 加载额外的模块。

本文档简要概述了 initrd 的使用。关于启动过程的更详细讨论可以在 [1] 中找到。

运行原理

当使用 initrd 时，系统通常按下述方式启动：

  1. 引导加载程序加载内核和初始 RAM 盘

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

  3. 如果根设备不是 /dev/ram0，则会执行旧的（已废弃的）change_root 流程。请参见下文的“过时的根更改机制”一节。

  4. 挂载根设备。如果是 /dev/ram0，则将 initrd 镜像挂载为根文件系统

  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，基本上可以做标准 init 能做的一切）。

  6. init 挂载“真正的”根文件系统

  7. init 使用 pivot_root 系统调用将根文件系统放置到根目录

  8. init 在新的根文件系统上执行 /sbin/init，从而执行通常的启动序列

  9. initrd 文件系统被移除

请注意，更改根目录并不涉及将其卸载。因此，在此过程中可以让进程继续在 initrd 上运行。还要注意，挂载在 initrd 下的文件系统仍然可以访问。

引导命令行选项

initrd 添加了以下新选项

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

近期的内核支持从压缩的 cpio 归档文件填充 RAM 盘。在这样的系统上，创建 RAM 盘镜像不需要使用特殊的块设备或回环设备；你只需在磁盘上创建一个包含所需 initrd 内容的目录，切换到该目录，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”根文件系统上为 initrd 文件系统创建一个目录，例如：

# mkdir /initrd

名称并不重要。更多详情可以在 pivot_root(2) 手册页中找到。

如果根文件系统是在启动过程中动态创建的（即如果你正在制作安装软盘），那么根文件系统创建过程应当创建 /initrd 目录。

如果在某些情况下 initrd 不会被挂载，只要创建了以下设备，其内容仍然是可以访问的：

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

其次，内核必须在编译时启用 RAM 盘支持以及初始 RAM 盘支持。此外，至少所有从 initrd 执行程序所需的组件（例如可执行文件格式和文件系统）必须直接编译进内核。

第三，你必须创建 RAM 盘镜像。这可以通过在块设备上创建文件系统、按需复制文件，然后将块设备的内容复制到 initrd 文件中来完成。对于近期的内核，至少有三种类型的设备适用于此：

  • 软盘（到处通用，但速度极慢）

  • RAM 盘（速度快，但会占用物理内存）

  • 回环设备（最优雅的解决方案）

我们将介绍回环设备方法：

  1. 确保内核中已配置了回环块设备支持

  2. 创建一个合适大小的空文件系统，例如：

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

    （如果空间非常宝贵，你可能希望使用 Minix 文件系统代替 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 的权限必须包含 “x”（执行权限）。

  6. 通常甚至不需要重启，就可以通过以下命令测试 initrd 环境是否能正确运行：

    # chroot /mnt /sbin/init

    这当然仅限于那些不会干扰通用系统状态的 initrd（例如不会重新配置网络接口、覆盖已挂载的设备、尝试启动已经在运行的守护进程等。不过请注意，通常在此类 chroot 的 initrd 环境中是可以运行 pivot_root 的。）

  7. 卸载文件系统

    # umount /mnt

  8. 现在 initrd 已经在文件 “initrd” 中了。如果需要，现在可以对其进行压缩

    # gzip -9 initrd

为了试验 initrd，你可能想拿一张救援软盘，并只需添加一个从 /sbin/init 到 /bin/sh 的符号链接。或者，你也可以尝试实验性的 newlib 环境 [2] 来创建一个精简的 initrd。

最后，你必须启动内核并加载 initrd。几乎所有 Linux 引导加载程序都支持 initrd。由于启动过程仍然兼容旧机制，因此必须提供以下启动命令行参数：

root=/dev/ram0 rw

（只有在向 initrd 文件系统写入数据时才需要 rw 参数。）

使用 LOADLIN，你只需执行：

LOADLIN <kernel> initrd=<disk_image>

例如：

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

使用 LILO，你可以在 /etc/lilo.conf 的全局部分或相应内核的段（section）中添加选项 INITRD=<path>，并使用 APPEND 传递选项，例如：

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

然后运行 /sbin/lilo

对于其他引导加载程序，请参考其各自的文档。

现在你可以启动系统并开始使用 initrd 了。

更改根设备

在完成其职责后，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。

该过程包含以下步骤：

  • 挂载新的根文件系统

  • 将其切换为根文件系统

  • 消除对旧的 (initrd) 根文件系统的所有访问

  • 卸载 initrd 文件系统并释放 RAM 盘内存

挂载新的根文件系统很简单：只需将其挂载到当前根目录下的某个目录中即可。例如：

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

根目录的更改是通过 pivot_root 系统调用完成的，该调用也可以通过 pivot_root 工具来使用（参见 pivot_root(8) 手册页；pivot_root 随 util-linux 2.10h 或更高版本一同发布 [3]）。pivot_root 会将当前的根目录移动到新根目录下的一个目录中，并将新的根目录置于其原位。在调用 pivot_root 之前，用于存放旧根目录的目标目录必须已经存在。例如：

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

此时，init 进程可能仍然通过其可执行文件、共享库、标准输入/输出/错误以及当前的根目录来访问旧的根目录。通过执行以下命令可以丢弃所有这些引用：

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

其中后跟的是新根目录下的一个程序，例如 /sbin/init。如果新的根文件系统将与 udev 一起使用且没有有效的 /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时间而变化。为确保兼容性，应遵循以下几点：

  • 在调用 pivot_root 之前，调用进程的当前工作目录应指向新的根目录

  • 使用 . 作为第一个参数，并将旧根目录所在目录的*相对*路径作为第二个参数

  • 在旧根和新根文件系统下必须都可用 chroot 程序

  • 随后 chroot 到新的根目录

  • 在 exec 命令中对 dev/console 使用相对路径

现在，可以卸载 initrd 并释放 RAM 盘所分配的内存

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

也可以将 initrd 与通过 NFS 挂载的根目录结合使用，详情请参见 pivot_root(8) 手册页。

使用场景

实现 initrd 的主要动机是为了在系统安装时支持模块化的内核配置。该过程如下：

  1. 系统使用一个极简内核（例如支持 RAM 盘、initrd、a.out 和 Ext2 文件系统）从软盘或其他介质启动并加载 initrd

  2. /sbin/init 确定挂载“真正的”根文件系统（即设备类型、设备驱动、文件系统）以及安装介质（例如 CD-ROM、网络、磁带……）所需的内容。这可以通过询问用户、自动探测或采用混合方法来实现。

  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（此时它还不需要是一个功能完备的可用系统）

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

  6. 安装引导加载程序

  7. 配置引导加载程序，以加载包含启动系统所需模块集的 initrd（例如，可以修改 /initrd，然后将其卸载，最后将镜像从 /dev/ram0 或 /dev/rd/0 写入文件）

  8. 至此系统即可引导，并且可以执行后续的安装任务了

initrd 在此处的关键作用是在正常系统运行期间复用配置数据，而无需使用臃肿的“通用”内核，也无需重新编译或重新链接内核。

第二种场景适用于在单一管理域内、运行于不同硬件配置上的 Linux 系统安装。在这种情况下，我们希望只生成少数几个内核（理想情况下只有一个），并使与系统相关的配置信息尽可能少。此时，可以生成一个包含所有必要模块的通用 initrd。然后，只需让 /sbin/init 或它所读取的文件有所不同即可。

第三种场景是用于制作更便捷的救援盘，因为诸如根文件系统分区位置之类的信息不必在启动时提供，从 initrd 加载的系统可以调出用户友好的对话框，并且还可以执行一些完整性检查（甚至某种形式的自动检测）。

最后同样重要的是，光盘（CD-ROM）发行商可以利用它来实现更好的光盘安装，例如：使用一张引导软盘，通过 initrd 从光盘引导一个更大的 RAM 盘；或者通过像 LOADLIN 这样的引导程序或直接从光盘启动，并直接从光盘加载 RAM 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。当前的内核仍然支持它，但你不应该依赖它会一直可用。

它的工作原理是：当 linuxrc 退出时，将“真正的”根设备（即在内核镜像中通过 rdev 设置的，或在启动命令行中通过 root=... 设置的设备）挂载为根文件系统。接着，initrd 文件系统会被卸载；如果它仍然处于繁忙状态，且新根文件系统上存在 /initrd 目录，则会被移动到该目录中。

为了使用此机制，你不需要指定启动命令行选项 root、init 或 rw。（如果指定了，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，可以在 linuxrc 内部通过将新根文件系统设备的编号写入特殊文件 /proc/sys/kernel/real-root-dev 来更改“真正的”根设备，例如：

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

请注意，该机制与 NFS 及类似的文件系统不兼容。

这个旧的、已被废弃的机制通常称为 change_root，而新的、受支持的机制称为 pivot_root。

混合使用 change_root 和 pivot_root 机制

如果你不想使用 root=/dev/ram0 来触发 pivot_root 机制，你可以在 initrd 镜像中同时创建 /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，内核会再次将你的 initrd 挂载为根文件系统，这次执行的是 /sbin/init。同样，这个 init 的职责是在最终执行真正的 /sbin/init 之前构建出正确的环境（可能会使用命令行上传递的 root= 设备）。

资源