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🧩 Linux 内核启动阶段的临时根文件系统技术文档

October 11, 2025

#ubuntu

#systemd

#init

🧩 Linux 内核启动阶段的临时根文件系统技术文档

📘 1. 概述（Overview）

在 Linux 启动的早期阶段，内核尚未挂载实际的根文件系统（例如 eMMC 上的 ext4 或 NFS 根目录）。
为了让系统具备运行基本命令、加载驱动、挂载真实根文件系统的能力，
内核引入了一种称为 临时根文件系统 (Early Root Filesystem) 的机制。

该机制在不同内核时代有两种主要实现：

阶段	技术名称	实现方式
Linux 2.4 及以前	initrd (initial RAM disk)	将压缩镜像加载为虚拟块设备 `/dev/ram0`，再挂载
Linux 2.6 及以后	initramfs (initial RAM filesystem)	将 `cpio` 压缩包直接解包进内存文件系统（ramfs/tmpfs）

⚙️ 2. 启动阶段流程概览

Linux 启动阶段涉及从 bootloader → 内核 → initramfs/initrd → 用户空间 init 的完整链路。

1. BIOS/UEFI
   ↓
2. Bootloader (GRUB/U-Boot)
   - 加载 vmlinuz (内核映像)
   - 加载 initramfs/initrd 到内存
   ↓
3. Linux Kernel
   - 初始化内核子系统
   - 创建 rootfs (ramfs/tmpfs)
   - 解包 initramfs 或挂载 initrd
   - 执行临时根中的 /init
   ↓
4. /init
   - 探测真实根文件系统（eMMC/NFS/overlay）
   - 挂载目标根目录
   - 调用 `switch_root` 或 `pivot_root`
   ↓
5. 启动真正的 /sbin/init 或 systemd

🧩 3. 技术架构与数据流

3.1 逻辑结构图

┌────────────────────────────┐
│ Bootloader                 │
│  - 加载 Kernel + Initramfs │
└────────────┬───────────────┘
             │
┌────────────▼───────────────┐
│ Linux Kernel               │
│  - 创建 rootfs (ramfs)     │
│  - 解包 initramfs.cpio.gz  │
│  - 执行 /init              │
└────────────┬───────────────┘
             │
┌────────────▼───────────────┐
│ /init 用户态脚本           │
│  - 探测真实根文件系统      │
│  - 挂载 /new_root          │
│  - switch_root /new_root   │
└────────────┬───────────────┘
             │
┌────────────▼───────────────┐
│ 真正根文件系统 (ext4/NFS)  │
│ /sbin/init → systemd/init  │
└────────────────────────────┘

🧱 4. Initramfs 内部结构

Initramfs 是一个 cpio 格式的压缩包，包含早期启动所需的最小文件集：

initramfs/
├── bin/
│   └── busybox
├── dev/
├── etc/
├── proc/
├── sys/
├── init          ← 启动脚本（最关键）
└── lib/

典型创建命令：

find . | cpio -H newc -o | gzip > ../initramfs.cpio.gz

加载方式（由 Bootloader 指定）：

qemu-system-x86_64 -kernel bzImage -initrd initramfs.cpio.gz -append "console=ttyS0"

🧩 5. 内核解包与挂载流程（源码级）

以 Linux 6.x 为例，主流程如下：

5.1 调用链概览

start_kernel()
 └── rest_init()
      └── kernel_init()
           └── prepare_namespace()
                ├── create_rootfs()
                ├── unpack_to_rootfs()     ← 解包 initramfs.cpio
                └── run_init_process("/init")

5.2 关键函数说明

函数	文件	功能描述
`populate_rootfs()`	`init/initramfs.c`	将 cpio 包内容解包到内存文件系统
`do_mounts_initrd()`	`init/do_mounts_initrd.c`	若为旧版 initrd，挂载 `/dev/ram0`
`run_init_process()`	`init/main.c`	尝试执行 `/init`、`/sbin/init` 等
`switch_root()`	`/usr/sbin/switch_root.c`	从 initramfs 切换到真正 rootfs

🧩 6. 关键内核配置项

配置项	作用	典型值
`CONFIG_BLK_DEV_INITRD`	启用旧版 initrd 支持	`y`
`CONFIG_INITRAMFS_SOURCE`	指定内嵌 initramfs 源路径	`"initramfs_list"`
`CONFIG_RD_GZIP`	支持 gzip 压缩	`y`
`CONFIG_TMPFS`	允许 tmpfs 用作 rootfs	`y`
`CONFIG_INIT_ENV_ARG_LIMIT`	控制 `/init` 参数限制	默认 32

🧩 7. 内核内嵌 Initramfs

可以直接将 initramfs 打包进内核：

make menuconfig
→ General setup → Initramfs source file(s)

或通过环境变量：

make INITRAMFS_SOURCE=../rootfs

生成的内核会在 usr/initramfs_data.c 中嵌入二进制数据：

const char __initramfs_start[];
const char __initramfs_end[];

⚙️ 8. /init 启动脚本职责

/init 是 initramfs 的“入口点”，它在真正的 /sbin/init 启动前执行。

典型实现（BusyBox 风格）：

#!/bin/sh
echo "[INITRAMFS] Booting early init system..."

mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys

# 检测真实根分区
mount /dev/mmcblk0p2 /new_root

# 切换根文件系统
exec switch_root /new_root /sbin/init

🔩 9. 与真实根文件系统的切换机制

9.1 pivot_root（旧方式）

将新根文件系统切换到 /new_root
原根文件系统挂载到 /new_root/initrd
已弃用，需手动卸载旧根

9.2 switch_root（现代方式）

替换根并清空旧文件系统
由 BusyBox 或 util-linux 提供
更简洁、安全

switch_root /new_root /sbin/init

🧩 10. 调试与验证

操作目标	命令或方法
查看内核是否加载 initramfs	`dmesg`
解包 initramfs 文件	`gzip -dc initramfs.cpio.gz`
在 /init 中打调试日志	`echo "step 1..." > /dev/console`
查看 rootfs 类型	`cat /proc/filesystems`
切换失败原因分析	检查 `/dev`, `/proc`, `/sys` 是否挂载

🧩 11. 嵌入式系统应用案例

应用场景	描述
单镜像系统	BusyBox + initramfs 直接作为系统根，无需外部存储
固件升级系统	initramfs 启动后校验、刷写、重启
加密文件系统启动	initramfs 中负责解密根分区后切换根
容灾/救援系统	提供最小恢复环境 (rescue shell)

🧩 12. 实验验证（QEMU Demo）

# 构建 busybox
make defconfig
make install

# 构建 initramfs
mkdir -p rootfs/{bin,dev,proc,sys}
cp -a _install/* rootfs/
echo -e '#!/bin/sh\nmount -t proc proc /proc\nmount -t sysfs sysfs /sys\necho "Hello Initramfs"\nexec /bin/sh' > rootfs/init
chmod +x rootfs/init

find . | cpio -H newc -o | gzip > ../initramfs.cpio.gz

# 启动 QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel bzImage -initrd initramfs.cpio.gz -append "console=ttyS0"

输出：

[INITRAMFS] Booting...
Hello Initramfs
/ #

🧩 13. 内存占用与性能分析

项目	initrd	initramfs
解包方式	解压到块设备	直接展开到 tmpfs
内存占用	双倍（块设备+文件系统）	单份（直接文件缓存）
启动速度	较慢	快 30–50%
占用结构	页缓存 + ramdisk	VFS 缓存
回收机制	手动卸载	自动回收 tmpfs 空间

🧩 14. 总结

项目	initrd	initramfs
文件格式	ext2 镜像	cpio 包
是否需块设备	是	否
文件系统类型	ext2	tmpfs/ramfs
兼容性	老内核	新内核（2.6+）
性能	一般	优秀
推荐使用	❌	✅

🧩 15. 参考资料

Linux Kernel Documentation
/usr/src/linux/Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt
BusyBox 官方文档: https://busybox.net/
内核源码：init/initramfs.c, init/main.c
LWN: “Early userspace in Linux 2.6”
Yocto Project: initramfs integration guide