1.什麼是 Initrd
initrd 的英文含義是 boot loader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的內存盤。在 Linux內核啟動前， boot loader 會將存儲介質中的 initrd 文件加載到內存，內核啟動時會在訪問真正的根文件系統前先訪問該內存中的 initrd 文件系統。在 boot loader 配置了 initrd 的情況下，內核啟動被分成了兩個階段，第一階段先執行 initrd 文件系統中的"某個文件"，完成加載驅動模塊等任務，第二階段才會執行真正的根文件系統中的 /sbin/init 進程。這裡提到的"某個文件"，Linux2.6 內核會同以前版本內核的不同，所以這裡暫時使用了"某個文件"這個稱呼，後面會詳細講到。第一階段啟動的目的是為第二階段的啟動掃清一切障愛，最主要的是加載根文件系統存儲介質的驅動模塊。我們知道根文件系統可以存儲在包括IDE、SCSI、USB在內的多種介質上，如果將這些設備的驅動都編譯進內核，可以想象內核會多麼龐大、臃腫。
Initrd 的用途主要有以下四種：
1. linux 發行版的必備部件
linux 發行版必須適應各種不同的硬件架構，將所有的驅動編譯進內核是不現實的，initrd 技術是解決該問題的關鍵技術。Linux 發行版在內核中只編譯了基本的硬件驅動，在安裝過程中通過檢測系統硬件，生成包含安裝系統硬件驅動的 initrd，無非是一種即可行又靈活的解決方案。
2. livecd 的必備部件
同 linux 發行版相比，livecd 可能會面對更加復雜的硬件環境，所以也必須使用 initrd.
3. 制作 Linux usb 啟動盤必須使用 initrd
usb 設備是啟動比較慢的設備，從驅動加載到設備真正可用大概需要幾秒鐘時間。如果將 usb 驅動編譯進內核，內核通常不能成功訪問 usb 設備中的文件系統。因為在內核訪問 usb 設備時， usb 設備通常沒有初始化完畢。所以常規的做法是，在 initrd 中加載 usb 驅動，然後休眠幾秒中，等待 usb設備初始化完畢後再掛載 usb 設備中的文件系統。
4. 在 linuxrc 腳本中可以很方便地啟用個性化 bootsplash.
2.Linux2.4內核對 Initrd 的處理流程
為了使讀者清晰的了解Linux2.6內核initrd機制的變化，在重點介紹Linux2.6內核initrd之前，先對linux2.4內核的initrd進行一個簡單的介紹。Linux2.4內核的initrd的格式是文件系統鏡像文件，本文將其稱為image-initrd，以區別後面介紹的linux2.6內核的cpio格式的initrd. linux2.4內核對initrd的處理流程如下：
1. boot loader把內核以及/dev/initrd的內容加載到內存，/dev/initrd是由boot loader初始化的設備，存儲著initrd.
2. 在內核初始化過程中，內核把 /dev/initrd 設備的內容解壓縮並拷貝到 /dev/ram0 設備上。
3. 內核以可讀寫的方式把 /dev/ram0 設備掛載為原始的根文件系統。
4. 如果 /dev/ram0 被指定為真正的根文件系統，那麼內核跳至最後一步正常啟動。
5. 執行 initrd 上的 /linuxrc 文件，linuxrc 通常是一個腳本文件，負責加載內核訪問根文件系統必須的驅動， 以及加載根文件系統。
6. /linuxrc 執行完畢，真正的根文件系統被掛載。
7. 如果真正的根文件系統存在 /initrd 目錄，那麼 /dev/ram0 將從 / 移動到 /initrd.否則如果 /initrd 目錄不存在， /dev/ram0 將被卸載。
8. 在真正的根文件系統上進行正常啟動過程 ，執行 /sbin/init. linux2.4 內核的 initrd 的執行是作為內核啟動的一個中間階段，也就是說 initrd 的 /linuxrc 執行以後，內核會繼續執行初始化代碼，我們後面會看到這是 linux2.4 內核同 2.6 內核的 initrd 處理流程的一個顯著區別。
3.Linux2.6 內核對 Initrd 的處理流程
linux2.6 內核支持兩種格式的 initrd，一種是前面第 3 部分介紹的 linux2.4 內核那種傳統格式的文件系統鏡像－image-initrd，它的制作方法同 Linux2.4 內核的 initrd 一樣，其核心文件就是 /linuxrc.另外一種格式的 initrd 是 cpio 格式的，這種格式的 initrd 從 linux2.5 起開始引入，使用 cpio 工具生成，其核心文件不再是 /linuxrc，而是 /init，本文將這種 initrd 稱為 cpio-initrd.盡管 linux2.6 內核對 cpio-initrd和 image-initrd 這兩種格式的 initrd 均支持，但對其處理流程有著顯著的區別，下面分別介紹 linux2.6 內核對這兩種 initrd 的處理流程。
cpio-initrd 的處理流程
1. boot loader 把內核以及 initrd 文件加載到內存的特定位置。
2. 內核判斷initrd的文件格式，如果是cpio格式。
3. 將initrd的內容釋放到rootfs中。
4. 執行initrd中的/init文件，執行到這一點，內核的工作全部結束，完全交給/init文件處理。
image-initrd的處理流程
1. boot loader把內核以及initrd文件加載到內存的特定位置。
2. 內核判斷initrd的文件格式，如果不是cpio格式，將其作為image-initrd處理。
3. 內核將initrd的內容保存在rootfs下的/initrd.image文件中。
4. 內核將/initrd.image的內容讀入/dev/ram0設備中，也就是讀入了一個內存盤中。
5. 接著內核以可讀寫的方式把/dev/ram0設備掛載為原始的根文件系統。
6. .如果/dev/ram0被指定為真正的根文件系統，那麼內核跳至最後一步正常啟動。
7. 執行initrd上的/linuxrc文件，linuxrc通常是一個腳本文件，負責加載內核訪問根文件系統必須的驅動， 以及加載根文件系統。
8. /linuxrc執行完畢，常規根文件系統被掛載
9. 如果常規根文件系統存在/initrd目錄，那麼/dev/ram0將從/移動到/initrd.否則如果/initrd目錄不存在， /dev/ram0將被卸載。
10. 在常規根文件系統上進行正常啟動過程 ，執行/sbin/init.
通過上面的流程介紹可知，Linux2.6內核對image-initrd的處理流程同linux2.4內核相比並沒有顯著的變化， cpio-initrd的處理流程相比於image-initrd的處理流程卻有很大的區別，流程非常簡單，在後面的源代碼分析中，讀者更能體會到處理的簡捷。
4．cpio-initrd同image-initrd的區別與優勢
沒有找到正式的關於cpio-initrd同image-initrd對比的文獻，根據筆者的使用體驗以及內核代碼的分析，總結出如下三方面的區別，這些區別也正是cpio-initrd的優勢所在：
cpio-initrd的制作方法更加簡單
cpio-initrd的制作非常簡單，通過兩個命令就可以完成整個制作過程
#假設當前目錄位於准備好的initrd文件系統的根目錄下 bash# find . cpio -c -o > ../initrd.img bash# gzip ../initrd.img
而傳統initrd的制作過程比較繁瑣，需要如下六個步驟
#假設當前目錄位於准備好的initrd文件系統的根目錄下 bash# dd if=/dev/zero of=../initrd.img bs=512k count=5 bash# mkfs.ext2 -F -m0 ../initrd.img bash# mount -t ext2 -o loop ../initrd.img /mnt bash# cp -r * /mnt bash# umount /mnt bash# gzip -9 ../initrd.img
本文不對上面命令的含義作細節的解釋，因為本文主要介紹的是linux內核對initrd的處理，對上面命令不理解的讀者可以參考相關文檔。
cpio-initrd的內核處理流程更加簡化
通過上面initrd處理流程的介紹，cpio-initrd的處理流程顯得格外簡單，通過對比可知cpio-initrd的處理流程在如下兩個方面得到了簡化：
1. cpio-initrd並沒有使用額外的ramdisk，而是將其內容輸入到rootfs中，其實rootfs本身也是一個基於內存的文件系統。這樣就省掉了ramdisk的掛載、卸載等步驟。
2. cpio-initrd啟動完/init進程，內核的任務就結束了，剩下的工作完全交給/init處理；而對於image-initrd，內核在執行完/linuxrc進程後，還要進行一些收尾工作，並且要負責執行真正的根文件系統的/sbin/init.通過圖1可以更加清晰的看出處理流程的區別：
圖1內核對cpio-initrd和image-initrd處理流程示意圖cpio-initrd的職責更加重要
如圖1所示，cpio-initrd不再象image-initrd那樣作為linux內核啟動的一個中間步驟，而是作為內核啟動的終點，內核將控制權交給cpio-initrd的/init文件後，內核的任務就結束了，所以在/init文件中，我們可以做更多的工作，而不比擔心同內核後續處理的銜接問題。當然目前linux發行版的cpio-initrd的/init文件的內容還沒有本質的改變，但是相信initrd職責的增加一定是一個趨勢。
5．linux2.6內核initrd處理的源代碼分析
上面簡要介紹了Linux2.4內核和2.6內核的initrd的處理流程，為了使讀者對於Linux2.6內核的initrd的處理有一個更加深入的認識，下面將對Linuxe2.6內核初始化部分同initrd密切相關的代碼給予一個比較細致的分析，為了講述方便，進一步明確幾個代碼分析中使用的概念：
rootfs: 一個基於內存的文件系統，是linux在初始化時加載的第一個文件系統,關於它的進一步介紹可以參考文獻[4]。
initramfs: initramfs同本文的主題關系不是很大，但是代碼中涉及到了initramfs，為了更好的理解代碼，這裡對其進行簡單的介紹。Initramfs是在 kernel 2.5中引入的技術，實際上它的含義就是：在內核鏡像中附加一個cpio包，這個cpio包中包含了一個小型的文件系統，當內核啟動時，內核將這個cpio包解開，並且將其中包含的文件系統釋放到rootfs中，內核中的一部分初始化代碼會放到這個文件系統中，作為用戶層進程來執行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了內核的初始化代碼，而且使得內核的初始化過程更容易定制。Linux 2.6.12內核的 initramfs還沒有什麼實質性的東西，一個包含完整功能的initramfs的實現可能還需要一個緩慢的過程。對於initramfs的進一步了解可以參考文獻[1][2][3]。
cpio-initrd: 前面已經定義過，指linux2.6內核使用的cpio格式的initrd。
image-initrd: 前面已經定義過，專指傳統的文件鏡像格式的initrd。
realfs: 用戶最終使用的真正的文件系統。
內核的初始化代碼位於 init/main.c 中的 static int init(void * unused)函數中。同initrd的處理相關部分函數調用層次如下圖，筆者按照這個層次對每一個函數都給予了比較詳細的分析，為了更好的說明，下面列出的代碼中刪除了同本文主題不相關的部分：
圖2 initrd相關代碼的調用層次關系圖init函數是內核所有初始化代碼的入口，代碼如下，其中只保留了同initrd相關部分的代碼。
static int init(void * unused){ [1] populate_rootfs(); [2] if (sys_Access((const char __user *) "/init", 0) == 0) execute_command = "/init"; else prepare_namespace(); [3] if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n"); (void) sys_dup(0); (void) sys_dup(0); [4] if (execute_command) run_init_process(execute_command); run_init_process("/sbin/init"); run_init_process("/etc/init"); run_init_process("/bin/init"); run_init_process("/bin/sh"); panic("No init found. Try passing init= option to kernel."); }
代碼[1]：populate_rootfs函數負責加載initramfs和cpio-initrd，對於populate_rootfs函數的細節後面會講到。
代碼[2]：如果rootfs的根目錄下中包含/init進程，則賦予execute_command，在init函數的末尾會被執行。否則執行prepare_namespace函數，initrd是在該函數中被加載的。
代碼[3]：將控制台設置為標准輸入，後續的兩個sys_dup（0），則復制標准輸入為標准輸出和標准錯誤輸出。
代碼[4]：如果rootfs中存在init進程，就將後續的處理工作交給該init進程。其實這段代碼的含義是如果加載了cpio-initrd則交給cpio-initrd中的/init處理，否則會執行realfs中的init.讀者可能會問：如果加載了cpio-initrd， 那麼realfs中的init進程不是沒有機會運行了嗎？確實，如果加載了cpio-initrd，那麼內核就不負責執行realfs的init進程了，而是將這個執行任務交給了cpio-initrd的init進程。解開fedora core4的initrd文件，會發現根目錄的下的init文件是一個腳本，在該腳本的最後一行有這樣一段代碼：
……….. switchroot --movedev /sysroot
就是switchroot語句負責加載realfs,以及執行realfs的init進程。
對cpio-initrd的處理
對cpio-initrd的處理位於populate_rootfs函數中。
void __init populate_rootfs(void){ [1] char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start, __initramfs_end - __initramfs_start, 0); [2] if (initrd_start) { [3] err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start, 1); [4] if (!err) { printk(" it is\n"); unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start, 0); free_initrd_mem(initrd_start, initrd_end); return; } [5] fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLYO_CREAT, 700); if (fd >= 0) { sys_write(fd, (char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start); sys_close(fd); free_initrd_mem(initrd_start, initrd_end); } }
代碼[1]：加載initramfs， initramfs位於地址__initramfs_start處，是內核在編譯過程中生成的，initramfs的是作為內核的一部分而存在的，不是 boot loader加載的。前面提到了現在initramfs沒有任何實質內容。
代碼[2]：判斷是否加載了initrd.無論哪種格式的initrd，都會被boot loader加載到地址initrd_start處。
代碼[3]：判斷加載的是不是cpio-initrd.實際上 unpack_to_rootfs有兩個功能一個是釋放cpio包，另一個就是判斷是不是cpio包， 這是通過最後一個參數來區分的， 0：釋放 1：查看。
代碼[4]：如果是cpio-initrd則將其內容釋放出來到rootfs中。
代碼[5]：如果不是cpio-initrd，則認為是一個image-initrd，將其內容保存到/initrd.image中。在後面的image-initrd的處理代碼中會讀取/initrd.image.
對image-initrd的處理在prepare_namespace函數裡，包含了對image-initrd進行處理的代碼，相關代碼如下：
void __init prepare_namespace(void){ [1] if (initrd_load()) goto out; out: umount_devfs("/dev"); [2] sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); sys_chroot("."); security_sb_post_mountroot(); mount_devfs_fs (); }
代碼[1]：執行initrd_load函數，將initrd載入，如果載入成功的話initrd_load函數會將realfs的根設置為當前目錄。
代碼[2]：將當前目錄即realfs的根mount為Linux VFS的根。initrd_load函數執行完後，將真正的文件系統的根設置為當前目錄。
initrd_load函數負責載入image-initrd，代碼如下：
int __init initrd_load(void) { [1] if (mount_initrd) { create_dev("/dev/ram", Root_RAM0, NULL); [2] if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) { sys_unlink("/initrd.image"); handle_initrd(); return 1; } } sys_unlink("/initrd.image"); return 0; }
代碼[1]：如果加載initrd則建立一個ram0設備 /dev/ram。
代碼[2]：/initrd.image文件保存的就是image-initrd，rd_load_image函數執行具體的加載操作，將image-nitrd的文件內容釋放到ram0裡。判斷ROOT_DEV!=Root_RAM0的含義是，如果你在grub或者lilo裡配置了 root=/dev/ram0 ,則實際上真正的根設備就是initrd了，所以就不把它作為initrd處理 ，而是作為realfs處理。
handle_initrd()函數負責對initrd進行具體的處理，代碼如下：
static void __init handle_initrd(void){ [1] real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV); [2] create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0, NULL); mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY); [3] sys_mkdir("/old", 0700); root_fd = sys_open("/", 0, 0); old_fd = sys_open("/old", 0, 0); /* move initrd over / and chdir/chroot in initrd root */ [4] sys_chdir("/root"); sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); sys_chroot("."); mount_devfs_fs (); [5] pid = kernel_thread(do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD); if (pid > 0) { while (pid != sys_wait4(-1, &i, 0, NULL)) yield(); } /* move initrd to rootfs' /old */ sys_fchdir(old_fd); sys_mount("/", ".", NULL, MS_MOVE, NULL); /* switch root and cwd back to / of rootfs */ [6] sys_fchdir(root_fd); sys_chroot("."); sys_close(old_fd); sys_close(root_fd); umount_devfs("/old/dev"); [7] if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) { sys_chdir("/old"); return; } [8] ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev); mount_root(); [9] printk(KERN_NOTICE "Trying to move old root to /initrd ... "); error = sys_mount("/old", "/root/initrd", NULL, MS_MOVE, NULL); if (!error) printk("okay\n"); else { int fd = sys_open("/dev/root.old", O_RDWR, 0); printk("failed\n"); printk(KERN_NOTICE "Unmounting old root\n"); sys_umount("/old", MNT_DETACH); printk(KERN_NOTICE "Trying to free ramdisk memory ... "); if (fd < 0) { error = fd; } else { error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0); sys_close(fd); } printk(!error ? "okay\n" : "failed\n"); }
handle_initrd函數的主要功能是執行initrd的linuxrc文件，並且將realfs的根目錄設置為當前目錄。
代碼[1]：real_root_dev，是一個全局變量保存的是realfs的設備號。
代碼[2]：調用mount_block_root函數將initrd文件系統掛載到了VFS的/root下。
代碼[3]：提取rootfs的根的文件描述符並將其保存到root_fd.它的作用就是為了在chroot到initrd的文件系統，處理完initrd之後要，還能夠返回rootfs.返回的代碼參考代碼[7].
代碼[4]：chroot進入initrd的文件系統。前面initrd已掛載到了rootfs的/root目錄。
代碼[5]：執行initrd的linuxrc文件，等待其結束。
代碼[6]：initrd處理完之後，重新chroot進入rootfs.
代碼[7]：如果real_root_dev在 linuxrc中重新設成Root_RAM0，則initrd就是最終的realfs了，改變當前目錄到initrd中，不作後續處理直接返回。
代碼[8]：在linuxrc執行完後，realfs設備已經確定，調用mount_root函數將realfs掛載到root_fs的 /root目錄下，並將當前目錄設置為/root.
代碼[9]：後面的代碼主要是做一些收尾的工作，將initrd的內存盤釋放。
到此代碼分析完畢。
6.結束語
通過本文前半部分對cpio-initrd和imag-initrd的闡述與對比以及後半部分的代碼分析，我相信讀者對Linux 2.6內核的initrd技術有了一個較為全面的了解。在本文的最後，給出兩點最重要的結論：
1. 盡管Linux2.6既支持cpio-initrd，也支持image-initrd，但是cpio-initrd有著更大的優勢，在使用中我們應該優先考慮使用cpio格式的initrd.
2. cpio-initrd相對於image-initrd承擔了更多的初始化責任，這種變化也可以看作是內核代碼的用戶層化的一種體現，我們在其它的諸如FUSE等項目中也看到了將內核功能擴展到用戶層實現的嘗試。精簡內核代碼，將部分功能移植到用戶層必然是linux內核發展的一個趨勢。
