一、基本概念介绍
1.1 rootfs
什么是根文件系统？理论上说一个嵌入式设备如果内核能运行起来，且不需要用户进程的话（估计这种情况很少），是不需要文件系统的。文件系统简单的说就是一种目录结构，由于linux操作系统的设备在系统中是以文件的形式存在，将这些文件分类管理以及提供和内核交互的接口，就形成了一定的目录结构也就是文件系统。文件系统是为用户反映系统的一种形式，为用户提供一个检测控制系统的接口。
而根文件系统，就是一种特殊的文件系统。那么根文件系统和普通的文件系统有什么区别呢？
借用书上的话说就是，根文件系统就是内核启动时挂载的第一个文件系统。由于根文件系统是启动时挂载的第一个文件系统，那么根文件系统就要包括linux启动时所必须的目录和关键性的文件，例如linux启动时都需要有用户进程init对应的文件，在linux挂载分区时一定要会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序，如 /bin目录下的命令等。任何linux启动时所必须的文件的文件系统都可以称为根文件系统。
根文件系统，对应/目录节点，分为虚拟rootfs和真实rootfs。
1.1.1 虚拟rootfs
虚拟rootfs由内核自己创建和加载，仅仅存在于内存之中，其文件系统是tmpfs类型或者ramfs类型。
1.1.2 真实rootfs
真实rootfs则是指根文件系统存在于存储设备上，内核在启动过程中会在虚拟rootfs上挂载这个存储设备，然后将/目录节点切换到这个存储设备上，这样存储设备上的文件系统就会被作为根文件系统使用。
1.2 initrd
initrd总的来说目前有两种格式：image格式和cpio格式。
当系统启动的时候，bootloader会把initrd文件读到内存中，然后把initrd文件在内存中的起始地址和大小传递给内核；
- 可以通过
bootargs参数initrd指定其地址范围； - 也可以通过备树
dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地址范围；
内核在启动初始化过程中会解压缩initrd文件，然后将解压后的initrd挂载为根目录，然后执行根目录中的/linuxrc脚本；
cpio格式的initrd为/init；image格式的initrd为/initrc；，
我们可以在这个脚本中加载真实文件系统。这样，就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中来。
1.2.1 image-initrd
image-initrd是将一块内存当作物理磁盘，然后在上面载入文件系统，比如我们在《Rockchip RK3399 - busybox 1.36.0制作根文件系统》制作的ramdisk文件系统就是就属于这一种。
1.2.1.1 内核ramdisk配置
为了能够使用ramdisk，内核必须要支持ramdisk，即：在编译内核时，要选中如下配置；
Device Drivers ---> [*] Block devices ---><*> RAM block device support(1) Default number of RAM disks(131072) Default RAM disk size (kbytes)
配置完成，会在.config生成如下配置：
CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=131072
同时为了让内核有能力在内核加载阶段就能装入ramdisk，并运行其中的内容，要选中：
General setup ---> [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
会在配置文件中定义CONFIG_BLK_DEV_INITRD。
1.2.1.2 启动参数
在uboot启动内核时指定根文件系统的位置；修改uboot启动参数bootargs中的root属性为root=/dev/ram0，表示根目录挂载点为/dev/ram0块设备；
假设ramdisk.gz文件被加载到内存指定位置0x42000000。修改bootargs加入如下配置：
initrd=0x42000000,0x14000000
initrd参数格式为：地址,长度，这里设备RAM地址为0x42000000起始，只要是在内核RAM物理地址空间内。长度这里只要比ramdisk.gz压缩包大小大就可以了。
1.2.1.3 挂载方式
当系统启动的时候，bootloader会把image-initrd文件读到内存中，内核将image-initrd保存在rootfs下的initrd.image中， 并将其读入/dev/ram0中，根据root是否等于/dev/ram0做不同的处理；
root != /dev/ram0：bootloader- >kernel->image-initrd（加载访问real rootfs的必备驱动） ->/linuxrc脚本（加载real rootfs）,内核卸载/dev/ram0，释放initrd内存，最后内核启动init进程(/sbin/init)；root = /dev/ram0：bootloader->kernel->image initrd直接将/dev/ram0作为根文件系统, 内核启动init进程/sbin/init。
1.2.2 cpio-initrd
特指使用cpio格式创建的initrd映像，和编译进内核的initramfs格式是一样的，只不过它是独立存在的，也被称为外部initramfs，
1.2.2.1 内核配置
需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了：
General setup ---> [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
1.2.2.2 启动参数
通过备树dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地址范围；
chosen {linux,initrd-start=xxxxxxlinux,initrd-end=xxxxxx
}
1.2.2.3 挂载方式
当系统启动的时候，bootloader会把cpio-initrd文件读到内存中，内核将cpio-initrd释放到rootfs，结束内核对cpio-initrd的操作。
bootloader -> kernel -> cpio-initrd（加载访问real rootfs的必备驱动等）-> /init脚本（加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。
1.3 initramfs
在linux 2.5内核开始引入initramfs技术，是一个基于ram的文件系统，只支持cpio格式。
它的作用和cpio-initrd类似，initramfs和内核一起编译到了一个新的镜像文件。
initramfs被链接进了内核中特殊的数据段.init.ramfs上，其中全局变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址。内核启动时会对.init.ramfs段中的数据进行解压，然后使用它作为临时的根文件系统。
1.3.1 内核配置
要制作这样的内核，我们只需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了：
General setup ---> [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
(/opt/filesystem) Initramfs source file(s)
其中/opt/filesystem就是根目录，这里可以使一个现成的gzip压缩的cpio，也可以使一个目录。
1.3.2 挂载方式
initramfs和cpio-initrd的区别, initramfs是将cpio rootfs编译进内核，而cpio-initrd中cpio rootfs是不编译入内核，是外部的。其挂载方式和cpio-initrd是一致的。
当系统启动的时候，内核将initramfs释放到rootfs，结束内核对initramfs的操作。
bootloader -> kernel -> initramfs（加载访问real rootfs的必备驱动等）-> /init脚本（加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。
二、源码分析
内核有关根文件系统挂载的调用链路如下：
start_kernelvfs_caches_init()mnt_init()// 创建虚拟根文件系统init_rootfs()register_filesystem(&rootfs_fs_type)init_ramfs_fsregister_filesystem(&ramfs_fs_type)// 注册根文件系统init_mount_tree()rest_initkernel_initkernel_init_freeableif(!ramdisk_execute_command)ramdisk_execute_command="/"do_basic_setupdo_initcallspopulate_rootfsunpack_to_rootfsrun_init_process(ramdisk_execute_command)
2.1 VFS的注册
首先不得不从linux系统的函数start_kernel说起。函数start_kernel中会去调用vfs_caches_init来初始化VFS，函数位于fs/dcache.c；
void __init vfs_caches_init(void)
{names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);dcache_init();inode_init();files_init();files_maxfiles_init();mnt_init();bdev_cache_init();chrdev_init();
}
函数mnt_init会创建一个rootfs，这是个虚拟的rootfs，即内存文件系统，后面还会指向真实的文件系统。
2.1.1 mnt_init
mnt_init函数位于fs/namespace.c：
void __init mnt_init(void)
{int err;mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct mount),0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);mount_hashtable = alloc_large_system_hash("Mount-cache",sizeof(struct hlist_head),mhash_entries, 19,HASH_ZERO,&m_hash_shift, &m_hash_mask, 0, 0);mountpoint_hashtable = alloc_large_system_hash("Mountpoint-cache",sizeof(struct hlist_head),mphash_entries, 19,HASH_ZERO,&mp_hash_shift, &mp_hash_mask, 0, 0);if (!mount_hashtable || !mountpoint_hashtable)panic("Failed to allocate mount hash table\n");kernfs_init();err = sysfs_init();if (err)printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",__func__, err);fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);if (!fs_kobj)printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);// 创建虚拟根文件系统init_rootfs();// 注册根文件系统init_mount_tree();
}
2.1.2 init_rootfs
init_rootfs定义在init/do_mounts.c；
static struct file_system_type rootfs_fs_type = {.name = "rootfs",.mount = rootfs_mount,.kill_sb = kill_litter_super,
};int __init init_rootfs(void)
{int err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);if (err)return err;if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && !saved_root_name[0] &&(!root_fs_names || strstr(root_fs_names, "tmpfs"))) {err = shmem_init();is_tmpfs = true;} else {err = init_ramfs_fs();}if (err)unregister_filesystem(&rootfs_fs_type);return err;
}
2.1.3 init_mount_tree
init_mount_tree函数位于fs/namespace.c：
static void __init init_mount_tree(void)
{struct vfsmount *mnt;struct mnt_namespace *ns;struct path root;struct file_system_type *type;type = get_fs_type("rootfs");if (!type)panic("Can't find rootfs type");// 创建虚拟文件系统mnt = vfs_kern_mount(type, 0, "rootfs", NULL);put_filesystem(type);if (IS_ERR(mnt))panic("Can't create rootfs");ns = create_mnt_ns(mnt);if (IS_ERR(ns))panic("Can't allocate initial namespace");init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;get_mnt_ns(ns);root.mnt = mnt;root.dentry = mnt->mnt_root;mnt->mnt_flags |= MNT_LOCKED;set_fs_pwd(current->fs, &root);// 将当前的文件系统配置为根文件系统set_fs_root(current->fs, &root);
}
可能有人会问，为什么不直接把真实的文件系统配置为根文件系统？
答案很简单，内核中没有根文件系统的设备驱动，如usb、eMMC等存放根文件系统的设备驱动，而且即便你将根文件系统的设备驱动编译到内核中，此时它们还尚未加载，其实所有的驱动是由在后面的kernel_init线程进行加载，所以需要initrd/initramfs。
2.2 VFS的挂载
参考文章
[1] linux内核启动initramfs与initrd及其挂载
[2] 嵌入式软件开发之------浅析linux根文件系统挂载（九）
[3] 根文件系统的含义和相关重要概念以及加载代码分析
