Linux根文件系统深度解析：从内核启动到initramfs挂载流程（内核6.10）

本文旨在深入探讨Linux根文件系统的本质与启动流程。一个常见的理解是，根文件系统是内核启动后挂载的第一个文件系统，是文件树的根。然而，从内核的视角来看，这个说法可以进一步精确。我们将基于Linux内核6.10版本，剖析根文件系统的真实构成。

1. 根文件系统从何而来？

用户通常接触到的“根文件系统”，实际上是挂载在根目录 (/) 下的一个真实的文件系统，如 ext4 或 xfs，我们可称之为真实根文件系统。然而，在内核初始化时，首先挂载的是一个名为 rootfs 的文件系统。rootfs 是一个伪文件系统，仅存在于内存中，它才是Linux启动后第一个被挂载的文件系统，是真正的“根”。

从内存中的 rootfs 过渡到磁盘上的真实根文件系统，主要经历三个步骤：

1. 挂载 rootfs 伪文件系统。
2. 解析 initramfs 到 rootfs。
3. 挂载真实根文件系统（如ext4）。

图1：真实根文件系统挂载流程

首先分析 rootfs 的挂载。rootfs 的文件系统类型定义如下：

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

查看 rootfs_init_fs_context 函数：

static int rootfs_init_fs_context(struct fs_context *fc)
{
    if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && is_tmpfs)
        return shmem_init_fs_context(fc);
    return ramfs_init_fs_context(fc);
}

由此可见，rootfs 本质上是一个 tmpfs 或 ramfs 文件系统的实例。这两者都是基于内存的文件系统，数据存储在RAM中，读写速度快，但系统重启后数据会丢失。

内核启动函数 start_kernel() 会执行一系列初始化，其中 rootfs 的初始化路径为：start_kernel() -> vfs_caches_init() -> mnt_init() -> init_mount_tree()。init_mount_tree 函数会创建 rootfs 的挂载实例和根目录，并将信息记录在内核。这解决了Linux文件树“从0到1”的问题，rootfs 的根目录即是文件树的起点，后续的真实文件系统都将挂载于此。

有了 rootfs 之后，内核便会解析 initramfs 到其中。initramfs 常被误认为是一种文件系统，实则不然。它是一个经过压缩（如lz4, gzip, zstd）的cpio归档文件，包含了挂载真实根文件系统所需的所有驱动和工具。内核会解析这个归档包，并将其中的文件逐一“填充”到 rootfs 中（可理解为文件拷贝）。解析 initramfs 的路径大致为：start_kernel() -> ... -> do_populate_rootfs()。

解析完成后，rootfs 的根目录下会出现一个关键的 init 脚本。该脚本将负责挂载真实根文件系统，并完成运行环境的切换。执行该脚本的路径为：start_kernel() -> ... -> run_init_process(“/init”)。

2. initramfs详解

initramfs 本质上是 newc 格式的cpio归档文件。cpio是一种用于打包文件和目录并保留元数据（权限、时间戳等）的工具。initramfs 由一条条文件记录构成，每条记录的格式为：

• 文件头（110字节）
• 文件名
• 0-3字节填充（用于4字节对齐）
• 文件数据
• 0-3字节填充（用于4字节对齐）

其中，文件头包含了文件的元数据，其固定格式如下表所示：
表1: newc格式文件头

为了更直观地理解，我们可以创建一个最小化的 initramfs。测试脚本如下：

#!/bin/bash
# 创建文件树
mkdir bin conf etc lib
touch etc/test.txt
# 创建init脚本
echo “#!/bin/sh” > init
# 打包为newc格式
find bin conf etc lib init -depth | cpio -o -H newc > initramfs.cpio

执行脚本生成 initramfs.cpio 后，可用 cpio -t < initramfs.cpio 查看文件列表，或用 hexdump -C 查看其二进制格式。最终，cpio归档中的这些文件记录会被内核解析并存入 rootfs。

3. /init脚本

/init 脚本是 initramfs 的核心，它承担着承上启下的关键任务：

• 挂载 /proc, /sys, /dev 等虚拟文件系统，并创建设备节点。
• 加载必要的存储设备和文件系统内核模块。
• 挂载真实根文件系统。
• 将系统根目录切换到真实根文件系统，并启动 /sbin/init 进程（即1号进程）。

内核调用 run_init_process(“/init”) 执行此脚本，该函数的主要作用是启动用户空间的第一个进程，完成内核态到用户态的切换。

在真实根文件系统（如 ext4）挂载前，所有文件操作都在 rootfs 中进行。/init 脚本首先将 proc、sysfs 等伪文件系统挂载到 rootfs 下。接着，读取块设备，并将设备中的真实根文件系统挂载到 rootfs 的某个目录（例如 /newroot）。最后，将已挂载的伪文件系统移动到新的根目录下，并执行 switch_root 命令彻底切换到真实根文件系统环境。

switch_root 命令的核心功能包括：

1. 将指定的目录（已挂载的真实根文件系统）设置为新的根文件系统。
2. 执行新根文件系统中的 init 程序（通常是 /sbin/init，可能指向 systemd 或 init）。
3. 清理并释放 initramfs 占用的内存空间。

其语法格式如下：

switch_root [-c /dev/console] NEW_ROOT NEW_INIT [ARGUMENTS_TO_INIT]

• NEW_ROOT: 已挂载的真实根文件系统路径，如 /newroot。
• NEW_INIT: 真实根文件系统中的 init 程序路径，如 /sbin/init。
• -c: 可选参数，用于重定向控制台设备。

总结

完整的 Linux 根文件系统启动流程可归纳为三步：首先，挂载内存中的 rootfs 文件系统，建立文件树的初始根目录；其次，解析 initramfs 归档，将其中的工具和驱动文件填充到 rootfs；最后，执行 initramfs 提供的 /init 脚本，由该脚本完成真实根文件系统的挂载与系统运行环境的最终切换。