1. 内核启动问题

当Linux内核引导系统时，它必须找到并运行第一个用户程序，通常称为“init”。(大多数较新的版本使用systemd作为默认init)

用户程序存在于文件系统中，因此Linux内核必须找到并挂载第一个（或“根”）文件系统才能成功启动。

通常，可用的文件系统列在文件 /etc/fstab 中，通过 mount 程序可以找到它们。但是 /etc/fstab 本身就是一个存储在文件系统中的文件。

找到第一个文件系统是鸡和蛋的问题，为了解决这个问题，内核开发人员创建了内核命令行选项“root =”，以指定根文件系统所在的设备。

二十年前，“root =”很容易解释。它可能是软盘驱动器，也可能是硬盘驱动器上的分区。(可用硬件设备及文件系统非常少，很容易指定)

现在，根文件系统可以在几十种不同类型的硬件上，文件系统也有几十种，甚至可以在RAID中分布在其中的几种硬件上。压缩，加密，环回挂载，存在与网络上等等情况。

新的硬件，新的文件系统，新的压缩，加密方法还会越来越多。

2. 解决方案

为了避免将如此多的特殊情况硬编码到内核中，使用了具有临时根文件系统的初始启动阶段 – 现在称为早期用户空间。此根文件系统可以包含用户空间帮助程序，它们执行硬件检测，模块加载和设备发现，以便安装真正的根文件系统。

2.1 ramdisk(比如initrd)

在2.4及更早版本上，主要使用ramdisk(比如initrd), 基于ram的块设备, 但由于模仿块设备，导致它是固定大小的内存块，需要像磁盘一样进行格式化和安装，(操作工具mke2fs,losetup)。需要文件系统驱动。这造成额外的开销，资源的浪费。固定的大小还不能扩展。

2.2 tmpfs(比如initramfs)

Rootfs是ramfs（或tmpfs，如果已启用）的特殊实例，具体表现比如Initramfs文件。

到2.6版本时期，Linus在缓存周围写了一个名为“ramfs”的小包装器，Ramfs是一个非常简单的文件系统，它将Linux的磁盘缓存机制（页面缓存和dentry缓存）导出为可动态调整大小的基于RAM的文件系统。

ramfs的一个缺点是你可以继续写入数据直到你填满所有内存，而VM无法释放它，因为VM认为文件应该写入后备存储（而不是交换空间），但是ramfs没有任何后备存储。

因此，只允许root（或可信用户）对ramfs mount进行写访问。

其他内核开发人员创建了一个名为“tmpfs”的改进版本.tmpfs（以前称为shmfs）基于启动时使用的ramfs代码，，但与ramfs不同，它支持交换较少使用的页面以交换空间以及文件系统大小和inode限制以防止内存不足的情况（默认为物理RAM的一半和RAM页面的一半）。

（它可以将数据写入交换空间，并限制给定挂载点的大小，避免填满所有可用的内存）。Initramfs是tmpfs的一个实例。

可以允许普通用户对tmpfs挂载进行写访问。这些基于ram的文件系统会自动增长或缩小以适应它们包含的数据大小。物尽其用，不会浪费额外的空间，不需要模拟块设备操作的额外开销。

2.3 ramdisk vs ramfs

小结

ramdisk，模拟块设备，实例是initrd，前文描述的弊端，已很少使用。

tmpfs,临时文件系统，是ramfs的改进版本，实例是目前主流的initramfs,初始ram文件系统。

2.4 临时文件系统

2.4.1 观察tmpfs

tmpfs是许多类Unix操作系统上临时文件存储设施的通用名称。可以通过df观察到

在某些Linux发行版（例如Debian，Ubuntu）上，/tmp是普通目录，但/dev/shm使用tmpfs。

以下是arch linux环境

$ df

Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on

dev 4072256 0 4072256 0% /dev

run 4079692 864 4078828 1% /run

/dev/sdb6 31364968 14256088 15492548 48% /

/dev/sdb7 34422400 7942172 24708608 25% /home

tmpfs 4079692 416068 3663624 11% /dev/shm

tmpfs 4079692 0 4079692 0% /sys/fs/cgroup

tmpfs 4079692 32 4079660 1% /tmp

tmpfs 815936 24 815912 1% /run/user/1001

2.4.2 Initramfs

初始ram文件系统，也称早期用户空间，典型用途是检测加载主用户空间文件系统所需的设备驱动程序，并从临时文件系统加载它们。

initramfs只需要包含访问根文件系统所需的模块; 它不需要包含一个人们想要使用的每个模块。在init过程中，udev将在稍后加载大多数模块。

Arch Linux使用内置initramfs的空存档（这是构建Linux时的默认存档）。

第一个提取的initramfs是在内核构建期间嵌入在内核二进制文件中的initramfs，然后提取可能的外部initramfs文件。

因此，外部initramfs中的文件会覆盖嵌入式initramfs中具有相同名称的文件。然后内核执行/init（在rootfs中）作为第一个进程。

2.4.3 查看initramfs

如果您对initramfs映像中的内容感到好奇，可以将其解压缩并查看其中的文件。

initramfs映像是一个SVR4 CPIO归档文件，通过find和bsdcpio命令生成，可选择使用内核理解的压缩方案进行压缩。

mkinitcpio包含一个名为的实用程序lsinitcpio，它将列出和/或提取initramfs图像的内容。

列出镜像中的文件：

$ lsinitcpio /boot/initramfs-linux.img

当前目录中提取：

$ lsinitcpio -x /boot/initramfs-linux.img

更加人性化的重要部分列表：

$ lsinitcpio -a /boot/initramfs-linux.img

2.4.4 创建initramfs

https://wiki.archlinux.org/index.php/Mkinitcpio

mkinitcpio是一个用于创建初始ramdisk环境的Bash脚本。

默认情况下，mkinitcpio脚本在内核安装或升级后生成两个镜像：默认镜像和跳过自动检测挂钩的回退镜像，因此包含了大量不需要的模块。

这是通过大多数内核包安装的.preset文件的PRESETS指令来完成的（例如，对于linux包含）。

预设是如何创建initramfs镜像的预定义定义，而不是每次都指定配置文件和输出文件。

例如，以下将（重新）生成由…提供的预设/etc/mkinitcpio.d//etc/mkinitcpio.d/linux.presetPRESETS=(‘default’ ‘fallback’)-p–presetlinux包：

# mkinitcpio -p linux

附加配置文件位于/etc/mkinitcpio.conf并用于指定所有预设的全局选项。

的-P/ –allpresets开关指定的所有预置应在后再生的initramfs时被利用mkinitcpio.conf的变化。

用户可以使用各种不同的配置创建任意数量的initramfs镜像。必须在相应的引导加载程序配置文件中指定所需的镜像。

警告： .preset文件用于在内核更新后自动重新生成initramfs; 编辑时要小心。

mkinitcpio的主要配置文件是/etc/mkinitcpio.conf。

另外，预设定义由/etc/mkinitcpio.d目录中的内核包提供（例如/etc/mkinitcpio.d/linux.preset）。

生成自定义手动initcpio

用户可以使用备用配置文件生成镜像。例如，以下内容将根据指示生成initramfs图像/etc/mkinitcpio-custom.conf并将其保存/boot/linux-custom.img。

# mkinitcpio -c /etc/mkinitcpio-custom.conf -g /boot/linux-custom.img

如果为当前正在运行的内核生成镜像，请将内核版本添加到命令行。您可以在中查看可用的内核版本/usr/lib/modules/。

# mkinitcpio -g /boot/linux-custom2.img -k 3.3.0-ARCH

用户可以修改配置文件中的六个变量：

MODULES 在运行任何引导挂钩之前加载的内核模块。

BINARIES 要包含在initramfs映像中的其他二进制文件。

FILES 要包含在initramfs映像中的其他文件。

HOOKS 挂钩是在初始ramdisk中执行的脚本。

COMPRESSION 用于压缩initramfs映像。

COMPRESSION_OPTIONS 传递给COMPRESSION程序的额外参数。强烈建议不要使用此设置。mkinitcpio将处理压缩机的特殊要求（例如传递–check=crc32给xz），并且误用很容易导致系统无法启动。

2.5 Linux系统中的initramfs

当前的Arch linux系统/boot/目录下

一些Linux的Live CD光盘文件里

2.6 cpio归档文件

https://en.wikipedia.org/wiki/Cpio

cpio最初设计用于以连续，连续的方式在磁带设备上存储备份文件存档。它不压缩任何内容，但是通常使用gzip或其他外部压缩器压缩生成的归档。

档案创建

在使用-o命令行标志启动的复制操作期间创建存档时，cpio从其标准输入通道读取文件和目录路径名，并将生成的存档字节流写入其标准输出。

因此，Cpio通常与生成要归档的文件列表的其他实用程序一起使用，例如查找程序。

生成的cpio存档是一系列文件和目录，它们连接成一个存档，由带有文件元信息的标题部分分隔，例如文件名，inode编号，所有权，权限和时间戳。按照惯例，归档的文件名通常被赋予文件扩展名cpio。

此示例使用find实用程序生成从当前目录开始的路径名列表，以创建目录树的存档：

$ find . -depth -print | cpio -o > /path/archive.cpio

提取

在由命令行标志i启动的拷入操作期间，cpio从其标准输入读取存档，并在操作系统的文件系统中重新创建存档文件。

命令行标志d告诉cpio根据需要构造目录。标志v（详细）列出提取时的文件名。

$ cpio -i -vd < archive.cpio

$ cpio -i -d /etc/fstab < archive.cpio

清单

列出cpio存档中包含的文件：

$ cpio -t < archive.cpio

复制

此示例将从当前目录开始的目录树复制到文件系统中的另一个路径new-path，

保留文件修改时间（标志m），

根据需要创建目录（d），

无条件地替换任何现有文件（u），

同时生成标准输出的进度清单（v）：

$ find . -depth -print | cpio -p -dumv new-path

3. 高级用户

3.1 制作自己的initramfs

http://blog.falconindy.com/articles/optmizing-bootup-with-mkinitcpio.html

使用mkinitcpio优化启动

在最简单的情况下，挂载根分区需要以下驱动程序：

存储总线（PATA，SATA，SCSI等）

块设备

文件系统

lsinitcpio很高兴地向你展示了图像上的确切内容。

‘mkinitcpio -M’将扫描您的PCI总线并探测您的根文件系统，返回一个整洁的模块列表，没有依赖项。

https://wiki.archlinux.org/index.php/Minimal_initramfs

最小的initramfs

3.2 Initramfs编程

https://landley.net/writing/rootfs-programming.html

将一些可执行文件放入新的根文件系统。

使用mdev填充/dev

从rootfs切换到另一个根文件系统

3.3 使用更新的工具

https://wiki.archlinux.org/index.php/Dracut

dracut创建内核使用的初始映像，用于预加载访问根文件系统所需的块设备模块（例如IDE，SCSI或RAID）。这可能会在不久的将来取代Arch Linux中的mkinitcpio。


https://dracut.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page

注意：阅读邮件列表公告，了解可能使用Dracut替换Mkinitcpio。


https://lists.archlinux.org/pipermail/arch-dev-public/2019-May/029570.html

[arch-dev-public] Mkinitcpio replacement with Dracut

Giancarlo Razzolini grazzolini at archlinux.org

Tue May 21 02:41:40 UTC 2019

Mkinitcpio替换为Dracut的信息。有兴趣有能力的人可以多加关注，参与其中。

更多相关信息


https://landley.net/writing/rootfs-intro.html


https://wiki.debian.org/InitrdReplacementOptions


https://en.wikipedia.org/wiki/Initial_ramdisk


https://en.wikipedia.org/wiki/Tmpfs


https://en.wikipedia.org/wiki/Linux_startup_process


https://en.wikipedia.org/wiki/Initial_ramdisk

https://www.kernel.org/doc/Documentation/early-userspace/README  最后更新：2004-12-20


https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt   2005年10月17日

https://wiki.archlinux.org/index.php/Arch_boot_process#initramfs


https://wiki.archlinux.org/index.php/Mkinitcpio