rootfs是如何挂载的？

日期	内核版本	架构
2022-10-09	Linux5.4.200	ARM64

前言

前不久项目上遇到了rootfs无法挂载的问题，就着这个问题顺便了解一下rootfs的挂载流程，总结于此分享给大家。

首先帮大家复习几个概念。

术语	解析
rootfs	根文件系统，对应/目录节点。分为虚拟rootfs和真实rootfs： 虚拟rootfs由内核自己创建和加载，仅仅存在于内存之中，其文件系统是tmpfs类型或者ramfs类型 真实rootfs则是指根文件系统存在于存储设备上，内核在启动过程中会在虚拟rootfs上挂载这个存储设备，然后将/目录节点切换到这个存储设备上，这样存储设备上的文件系统就会被作为根文件系统使用
ramdisk	将系统一部分内存区域实现为/dev/ram，把/dev/ram作为作为一个存储设备，最终将根目录切换到/dev/ram的挂载，实现将/dev/ram作为根文件系统的目的。 使用ext2格式的文件系统
initramfs	kernel 2.5中引入的技术，在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个 cpio包解开，并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。

调用关系链

下面总结了一下rootfs挂载的调用过程：

start_kernel
	|->vfs_caches_init
	|	|->mnt_init
	| 		|->sysfs_init
	| 		|->init_rootfs
	| 		|->init_mount_tree
	| 		
	|->rest_init
	|	|->kernel_init
	|		|->kernel_init_freeable
	|			|->do_basic_setup
    |            	|->do_initcalls
    |            		|->do_initcall_level
    |            			|->do_one_initcall
    |            				|->rootfs_initcall(populate_rootfs);
    |->init

在挂载rootfs前会先挂载sysfs，确保sysfs能够完整的记录下设备驱动模型。

sysfs_init()完成注册和挂载sysfs文件系统的功能；init_rootfs()负责注册rootfs，init_mount_tree()负责挂载rootfs，并将init_task的命名空间与之联系起来。

所以在了解rootfs的挂载之前，我们先学习一下Linux文件系统初始化以及sysfs如何挂载。

Linux文件系统初始化

展开vfs_caches_init来看。

void __init vfs_caches_init(void)
{
	names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,
			SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);

	dcache_init();
	inode_init();
	files_init();
	files_maxfiles_init();
	mnt_init();
	bdev_cache_init();
	chrdev_init();
}

• vfs_caches_init()首先建立并初始化:

  • 目录hash表 - dentry_hashtable
  • 索引节点hash表 - inode_hashtable
  • 注：Linux使用哈希表存储目录和索引节点，以提高目录和索引节点的查找效率

• 设置内核可以打开的最大文件数

• 通过mnt_init完成sysfs和rootfs文件系统的注册和挂载

sysfs挂载流程

sysfs负责记录Linux设备驱动模型.

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4.200/source/fs/namespace.c#L3766

void __init mnt_init(void)
{
	int err;

	mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct mount),
			0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);

	mount_hashtable = alloc_large_system_hash("Mount-cache",
				sizeof(struct hlist_head),
				mhash_entries, 19,
				HASH_ZERO,
				&m_hash_shift, &m_hash_mask, 0, 0);
	mountpoint_hashtable = alloc_large_system_hash("Mountpoint-cache",
				sizeof(struct hlist_head),
				mphash_entries, 19,
				HASH_ZERO,
				&mp_hash_shift, &mp_hash_mask, 0, 0);

	if (!mount_hashtable || !mountpoint_hashtable)
		panic("Failed to allocate mount hash table\n");

	kernfs_init();

	err = sysfs_init(); // 注册并挂载sysfs文件系统
	if (err)
		printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
			__func__, err);
	fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL); // 创建fs目录
	if (!fs_kobj)
		printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
	shmem_init();
	init_rootfs();
	init_mount_tree();
}

mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统，然后调用kobject_create_and_add()创建fs目录。

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4.200/source/fs/sysfs/mount.c#L97

int __init sysfs_init(void)
{
	int err;

	sysfs_root = kernfs_create_root(NULL, KERNFS_ROOT_EXTRA_OPEN_PERM_CHECK,
					NULL);
	if (IS_ERR(sysfs_root))
		return PTR_ERR(sysfs_root);

	sysfs_root_kn = sysfs_root->kn;

	err = register_filesystem(&sysfs_fs_type);
	if (err) {
		kernfs_destroy_root(sysfs_root);
		return err;
	}

	return 0;
}

第一步：创建根节点sysfs根节点。

第二步：building block of kernfs hierarchy，每一个节点都代表一个kernfs_node.

第三步：sysfs_init()调用register_filesystem()注册文件系统类型sysfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。

sysfs_fs_type定义如下，.mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的创建和初始化工作.

static struct file_system_type sysfs_fs_type = {
	.name			= "sysfs",
	.init_fs_context	= sysfs_init_fs_context,
	.kill_sb		= sysfs_kill_sb,
	.fs_flags		= FS_USERNS_MOUNT,
};

通过以上步骤，sysfs文件系统在VFS中的视图如下：

挂载点指向超级块和根目录；超级块处在super_blocks单链表中，并且链接起所有属于该文件系统的索引节点；根目录’/'和目录"fs"指向各自的索引节点；为了提高查找效率，索引节点保存在hash表中。

rootfs挂载过程

mnt_init()调用init_rootfs()注册文件系统类型rootfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。

rootfs_fs_type定义如下，mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的建立和初始化工作。

struct file_system_type rootfs_fs_type = {
	.name		= "rootfs",
	.init_fs_context = rootfs_init_fs_context,
	.kill_sb	= kill_litter_super,
};

1. init_mount_tree()调用vfs_kern_mount()挂载rootfs文件系统.

2. init_mount_tree()创建命名空间，并设置该命名空间的挂载点为rootfs的挂载点，同时将rootfs的挂载点链接到该命名空间的双向链表中。

3. init_mount_tree()设置init_task的命名空间，同时调用set_fs_pwd()和set_fs_root()设置init_task任务的当前目录和根目录为rootfs的根目录’/’

static void __init init_mount_tree(void)
{
	struct vfsmount *mnt;
	struct mount *m;
	struct mnt_namespace *ns;
	struct path root;

	mnt = vfs_kern_mount(&rootfs_fs_type, 0, "rootfs", NULL);
	if (IS_ERR(mnt))
		panic("Can't create rootfs");

	ns = alloc_mnt_ns(&init_user_ns, false);// 创建namespace
	if (IS_ERR(ns))
		panic("Can't allocate initial namespace");
	m = real_mount(mnt);
	m->mnt_ns = ns;
	ns->root = m;
	ns->mounts = 1;
	list_add(&m->mnt_list, &ns->list);
	init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
	get_mnt_ns(ns);

	root.mnt = mnt;
	root.dentry = mnt->mnt_root;
	mnt->mnt_flags |= MNT_LOCKED;

	set_fs_pwd(current->fs, &root);
	set_fs_root(current->fs, &root);
}

通过以上分析，我们发现sysfs和rootfs的区别在于：虽然系统同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于init_task进程的命名空间内，也就是说系统启动和初始化阶段使用的是rootfs文件系统。

总结

sysfs和rootfs在VFS中的视图如下：

• Linux文件系统在初始化时，同时挂载了sysfs和rootfs文件系统
• 只有rootfs处于进程的命名空间中，且进程的root目录和pwd目录都指向rootfs的根目录
• Linux的VFS已经准备好了根目录，用户可以使用系统调用对VFS树进行扩展