Initramfs 原理和实践
Linux系统启动时使用initramfs (initram file system), initramfs可以在启动早期提供一个用户态环境，借助它可以完成一些内核在启动阶段不易完成的工作。当然initramfs是可选的，Linux中的内核编译选项默认开启initrd。在下面的示例情况中你可能要考虑用initramfs。
- 加载模块，比如第三方driver
- 定制化启动过程 (比如打印welcome message等)
- 制作一个非常小的rescue shell
- 任何kernel不能做的，但在用户态可以做的 (比如执行某些命令)
一个initramfs至少要包含一个文件，文件名为/init。内核将这个文件执行起来的进程作为main init进程(pid 1)。当内核挂载initramfs后，文件系统的根分区还没有被mount, 这意味着你不能访问文件系统中的任何文件。如果你需要一个shell，必须把shell打包到initramfs中，如果你需要一个简单的工具，比如ls, 你也必须把它和它依赖的库或者模块打包到initramfs中。总之，initramfas是一个完全独立运行的体系。
另外initramfs打包的时候，要求打包成压缩的cpio档案。cpio档案可以嵌入到内核image中，也可以作为一个独立的文件在启动的过程中被GRUB load。
Linux的initramrd img
在/boot目录下的initrd.img-xxx (Ubuntu)或者initramfs-xxx.img (CentOS) 文件即为Linux用的initramfs文件。我们可以将其解压出来看看其目录结构，如下：
# ls -l /boot/ total 67408 -rw-r--r-- 1 root root 1240067 Jul 13 2016 abi-4.4.0-31-generic -rw-r--r-- 1 root root 1247269 Aug 15 2017 abi-4.4.0-93-generic -rw-r--r-- 1 root root 189566 Jul 13 2016 config-4.4.0-31-generic -rw-r--r-- 1 root root 190364 Aug 15 2017 config-4.4.0-93-generic drwxr-xr-x 5 root root 4096 Jul 4 17:23 grub -rw-r--r-- 1 root root 21977388 Aug 24 2017 initrd.img-4.4.0-31-generic -rw-r--r-- 1 root root 22440248 Aug 24 2017 initrd.img-4.4.0-93-generic -rw------- 1 root root 3879360 Jul 13 2016 System.map-4.4.0-31-generic -rw------- 1 root root 3899015 Aug 15 2017 System.map-4.4.0-93-generic -rw------- 1 root root 6937248 Jul 13 2016 vmlinuz-4.4.0-31-generic -rw------- 1 root root 7000752 Aug 15 2017 vmlinuz-4.4.0-93-generic
# initrd的文件类型是gzip压缩文件 # file /boot/initrd.img-4.4.0-93-generic /boot/initrd.img-4.4.0-93-generic: gzip compressed data, from Unix, last modified: Thu Aug 24 20:51:59 2017
# cp /boot/initrd.img-4.4.0-93-generic .
# 文件大小为22M # ls -lh initrd.img-4.4.0-93-generic -rw-r--r-- 1 root root 22M Jul 5 15:46 initrd.img-4.4.0-93-generic
# 修改文件的后缀名，否则gzip工具无法识别 # mv initrd.img-4.4.0-93-generic initrd.img-4.4.0-93-generic.gz # 用gzip解压缩 # gzip -d initrd.img-4.4.0-93-generic.gz # 解压后的大小为57M # ls -lh initrd.img-4.4.0-93-generic -rw-r--r-- 1 root root 57M Jul 5 15:46 initrd.img-4.4.0-93-generic
# 解压后的文件类型为cpio档案 # file initrd.img-4.4.0-93-generic initrd.img-4.4.0-93-generic: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)
# 将文件从cpio档案中copy出来 # cpio -idmv < initrd.img-4.4.0-93-generic . lib64 lib64/ld-linux-x86-64.so.2 ... lib/systemd lib/systemd/systemd-udevd 115997 blocks
# 最终可以看到如下文件和目录结构，就是initramrd的结构 # ls bin conf etc init initrd.img-4.4.0-93-generic lib lib64 run sbin scripts
可以看到initramfs和跟分区文件系统的雏形很像，只是它的大小不大，少了很多工具和库。有些内核模块就在其中，比如：/lib/modules/4.4.0-93-generic/kernel/。
qemu中启动"Hello World" initramfs
在前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”中，已经准备了一个Linux启动环境，但是缺少initramfs。我们可以做一个最简单的Hello World initramfs，来直观地理解initramfs。
Hello World的C程序如下，与普通的Hello World相比，加了一行while(1)。
#include <stdio.h> void main() { printf("Hello World\n"); fflush(stdout); /* 让程序打印完后继续维持在用户态 */ while(1); }
编译helloworld.c程序
# gcc -static -o helloworld -m32 helloworld.c
- -static: On systems that support dynamic linking, this prevents linking with the shared libraries. //不让gcc动态链接shared libraries
- -m32: Generate code for a 32-bit or 64-bit environment //在前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”中Linux内核被编译成了32位架构，所以这里在gcc的选项中也编译成32位可执行程序
在64位机器上编译成32位程序，可能会报错如下：
In file included from /usr/include/stdio.h:27:0,
from helloworld.c:2:
/usr/include/features.h:374:25: fatal error: sys/cdefs.h: No such file or directory
# include <sys/cdefs.h>
^
compilation terminated.
解决方案是安装libc6-dev-i386包。
# apt-get install libc6-dev-i386
打包initramfs文件
# echo helloworld | cpio -o --format=newc > hwinitramfs
在qemu中启动编译好的内核，把hwinitramfs指定为initrd，在-append参数中将init指定为helloworld。
# qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd hwinitramfs -append "console=ttyS0 rdinit=helloworld" -nographic
系统能成功启动到输出"Hello World"，并且在用户态停住。结合前文“在qemu环境中用gdb调试Linux内核”，可以看到qemu虚机中运行的Linux系统已经成功挂载了initramfs, 在console日志中也能看到“Unpacking initramfs...”。
