「initramfs」- Initial RAM File System

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认识

initramfs，Initial RAM File System，是 initrd（Initial Ramdisk）的接替者，since Kernel 2.5.46（自 Linux 2.6.13 起可用）。

initramfs，其本质上是个经过压缩（可选多种压缩之一）的 `cpio` 归档文件，保存在 /boot/ 中，通常会被命名为 `initrd.img-<kernel-version>` 或类似的名字。

initramfs 是个临时的根文件系统，它在 Linux 内核启动后、真正的根文件系统被挂载之前被加载到内存中使用。它的主要任务是准备好必要的环境，以便能够成功挂载真正的根文件系统。若无 initramfs 的存在，我们的 Linux 系统将无法从加密硬盘、LVM 或网络存储上启动，将极大地限制其灵活性和安全性。

Linux Kernel 将 initramfs 解压到特殊的 tmpfs 实例中，该实例成为初始 root 文件系统。

BLFS / About initramfs / http://www.linuxfromscratch.org/blfs/view/svn/postlfs/initramfs.html

组成

该镜像包含初始文件系统，其中包含在启动时所有必要资源（例如，硬件的内核模块、初始化脚本、块驱动、……）。该微型文件系统里通常包含以下内容：

必要的工具（Tools）

实用程序：busybox，其集成上百个常用 Linux 命令（如 `ls`, `mount`, `echo`, `insmod`）的单一可执行文件，非常节省空间。

特定工具：如 `cryptsetup`（用于解密）、`lvm`（用于管理 LVM）、`mdadm`（用于管理软 RAID）等。

内核模块（Kernel Modules）

存储控制器驱动、文件系统驱动（如 `ext4`, `xfs`, `btrfs`）、加密模块等。这些模块不是编译进内核，而是以可加载模块（`.ko` 文件）的形式存在。

初始化脚本（Init Script）

一个名为 `/init` 的脚本（有时是二进制文件），它是 initramfs 启动后执行的第一个进程（PID 1）。这个脚本负责协调所有启动任务。

设备节点（Device Nodes）

例如 `/dev/null`, `/dev/console`, `/dev/sda1` 等，用于与硬件交互。

工作流程

整个启动过程中，initramfs 的生命周期如下：

  1. BIOS/UEFI：执行硬件自检，并加载引导程序（如 GRUB）。
  2. Bootloader (GRUB)：根据配置文件，将 Linux 内核和 initramfs 镜像加载到内存中，然后将控制权交给内核。
  3. Linux 内核：
    • 内核解压并执行。
    • 它在内存中找到一个空闲区域，将 initramfs 解压到那里，并将其挂载为临时的根文件系统。
    • 内核最后执行这个临时根文件系统中的 `/init` 脚本。
  4. /init 脚本：
    • 这个脚本开始工作，它的任务通常按顺序包括：
      1. 加载内核模块：加载访问真实根文件系统所在磁盘所需的驱动（如 NVMe、SATA 控制器驱动）。
      2. 提供解密接口：如果根文件系统被加密，脚本会暂停启动，并提示用户输入密码或读取密钥文件。使用 `cryptsetup` 工具解密映射设备。
      3. 激活逻辑卷：如果使用了 LVM，则使用 `vgchange` 等命令激活卷组。
      4. 识别设备：使用 `udev` 规则在 `/dev` 目录下创建正确的设备节点（如 `/dev/mapper/vg0-root`）。
  5. 切换根文件系统（Pivot Root）：
    • `/init` 脚本使用 `pivot_root` 系统调用，将当前进程的根目录从 initramfs 的根目录切换到刚刚挂载好的、真正的根文件系统上。
  6. 执行真正的 init：
    • initramfs 的 `/init` 脚本会执行真正根文件系统中的 `/sbin/init`（通常是 Systemd 或 SysVinit）。
    • Systemd 接管后续的启动过程，挂载其他文件系统（如 `/home`, `/var`），启动系统服务等。
  7. 清理：
    • initramfs 所占用的内存会被释放。

性质

initramfs vs. initrd

它们的目的相同，但实现方式不同：

initrd：是个基于块设备的镜像文件（如 `image.gz`），所以内核将其加载到内存中，模拟成磁盘（如 `/dev/ram0`），然后将其格式化为某种文件系统（如 `ext2`）并挂载。该方式效率较低，因其需要额外的块设备抽象层来中转。

initramfs：是基于 tmpfs（是种内存中的文件系统）的 `cpio` 归档。内核直接将其解压到 tmpfs 中并挂载，更加简单高效。它也是 `cpio` 格式，比 `ext2` 更容易构建。

针对 initrd 方式，initramfs 的优点：

不需要将“中间文件系统的驱动”编译到内核：initramfs 是 CPIO 格式（且被压缩），直接解压到在 tmpfs 上，而 tmpfs 在内核上，不需要单独文件系统驱动来访问。

不需要将块驱动编译到内核：其实当 Kernel 加载到内存并开始运行后，操作系统便已开始运行。至于运行具体的应用程序服务，那是用户空间的事情，也就说从 HDD 还是 NFS 启动那是用户空间的工作，由用户空间自行实现即可，内核不再关心这些块驱动。

构建

文件位置：通常位于 `/boot` 目录下，例如 `/boot/initrd.img-5.15.0-86-generic`。

针对常见操作，例如，“创建 initramfs 文件”、“查看 initramfs 内容”、“更新 initramfs 文件”、……，相关的工具有：

  • 针对 Debian Ubuntu …… 类别，使用 initramfs-tools 工具
  • 针对 CentOS RHEL …… 类别，使用 dracut 工具。
# 先解压（如果是.gz压缩）
cp /boot/initrd.img-5.15.0-86-generic /tmp/my_initrd.gz
cd /tmp
gzip -d my_initrd.gz

# 然后解包cpio归档
mkdir extract_dir
cd extract_dir
cpio -idv < ../my_initrd

# 现在你就可以在 `extract_dir` 目录下浏览 initramfs 的完整内容了。

：当安装新的内核模块或修改了相关配置（比如磁盘加密设置），需要重新生成 initramfs 文件。

# 在基于 Debian/Ubuntu 的系统上使用：
sudo update-initramfs -u -k all

# 在基于 RHEL/CentOS/Fedora 的系统上使用：

sudo dracut -f
sudo mkinitcpio -P # 或，通过该命令

dracut

  • dracut，用来创建 initramfs 镜像。
  • lsinitrd，用来查看 initramfs 镜像。
  • ……

应用

在 RHEL 7 中，initramfs 包含自身可用的整个系统。

参考

Initramfs arrives [LWN.net]
Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt
cpio – Wikipedia
DeepSeek / 介绍 initramfs