linux文件系统初始化过程(2)---挂载rootfs文件系统

一、目的

本文主要讲述linux3.10文件系统初始化过程的第一阶段：挂载rootfs文件系统。
rootfs是基于内存的文件系统，所有操作都在内存中完成；也没有实际的存储设备，所以不需要设备驱动程序的参与。基于以上原因，linux在启动阶段使用rootfs文件系统，当磁盘驱动程序和磁盘文件系统成功加载后，linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。

二、主要函数调用过程

图1描述了挂载rootfs的函数调用关系(图中红色部分)，便于后面的分析。
从图中发现，在挂载rootfs前会先挂载sysfs，这样做的原因是确保sysfs能够完整的记录下设备驱动模型。
sysfs_init()完成注册和挂载sysfs文件系统的功能；init_rootfs()负责注册rootfs，init_mount_tree()负责挂载rootfs，并将init_task的命名空间与之联系起来。



图1

三、linux文件系统初始化

vfs_cache_init()首先建立并初始化目录hash表dentry_hashtable和索引节点hash表inode_hashtable；然后设置内核可以打开的最大文件数；最后调用mnt_init()完成sysfs和rootfs文件系统的注册和挂载。
linux使用哈希表存储目录和索引节点，以提高目录和索引节点的查找效率；dentry_hashtable是目录哈希表，inode_hashtable是索引节点哈希表。

四、挂载sysfs文件系统

sysfs用来记录和展示linux驱动模型，sysfs先于rootfs挂载是为全面展示linux驱动模型做好准备。
mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统，然后调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。

2735 err = sysfs_init();
2736 if (err)
2737 printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
2738 __func__, err);
2739 fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
2740 if (!fs_kobj)
2741 printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);

下面详细介绍sysfs文件系统的挂载过程：
1、sysfs_init()调用register_filesystem()注册文件系统类型sysfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。sysfs_fs_type定义如下，.mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的创建和初始化工作。

173     err = register_filesystem(&sysfs_fs_type);
174     if (!err) {
175         sysfs_mnt = kern_mount(&sysfs_fs_type);
176         if (IS_ERR(sysfs_mnt)) {
177             printk(KERN_ERR "sysfs: could not mount!\n");
178             err = PTR_ERR(sysfs_mnt);
179             sysfs_mnt = NULL;
180             unregister_filesystem(&sysfs_fs_type);
181             goto out_err;
182         }

152 static struct file_system_type sysfs_fs_type = {
153     .name       = "sysfs",
154     .mount      = sysfs_mount,
155     .kill_sb    = sysfs_kill_sb,
156     .fs_flags   = FS_USERNS_MOUNT,
157 };

2、sysfs_init()->kern_mount()->vfs_kern_mount()创建并初始化struct
mount挂载点，并使用全局变量sysfs_mnt保存该挂载点的挂载项(mnt成员)。

783     mnt = alloc_vfsmnt(name);
784     if (!mnt)
785         return ERR_PTR(-ENOMEM);

3、kern_mount()调用sysfs_fs_type的.mount成员sysfs_mount()创建并初始化超级块、根目录'/'、根目录的索引节点等数据结构；并且把超级块添加到全局单链表super_blocks中，把索引节点添加到hash表inode_hashtable和超级块的inode链表中。
目前，我们可以得出一个重要结论：kern_mount()主要完成挂载点、超级块、根目录和索引节点的创建和初始化操作，可以看成是一个原子操作，这个函数以后会频繁使用。

790     root = mount_fs(type, flags, name, data);
1091 struct dentry *
1092 mount_fs(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void*data)
1093 {
1094     struct dentry *root;
...
1108
1109     root = type->mount(type, flags, name, data);

107 static struct dentry *sysfs_mount(struct file_system_type *fs_type,
108     int flags, const char *dev_name, void *data)
109 {                 ...
112     struct super_block *sb;
...
125     sb = sget(fs_type, sysfs_test_super, sysfs_set_super, flags, info);
...
130     if (!sb->s_root) {
131         error = sysfs_fill_super(sb, data, flags & MS_SILENT ? 1 : 0);

4、vfs_kern_mount()初始化挂载点的根目录和超级块。

796 mnt->mnt.mnt_root = root;
797 mnt->mnt.mnt_sb = root->d_sb;
798 mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt.mnt_root;
799 mnt->mnt_parent = mnt;

5、mnt_init()调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。
通过以上步骤，sysfs文件系统在VFS中的视图如图2所示：挂载点指向超级块和根目录；超级块处在super_blocks单链表中，并且链接起所有属于该文件系统的索引节点；根目录'/'和目录"fs"指向各自的索引节点；为了提高查找效率，索引节点保存在hash表中。



图2

五、挂载rootfs文件系统

mnt_init()调用init_rootfs()注册rootfs，然后调用init_mount_tree()挂载rootfs。

下面详细介绍rootfs文件系统的挂载过程：

1、mnt_init()调用init_rootfs()注册文件系统类型rootfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。

rootfs_fs_type定义如下，mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的建立和初始化工作。

265 static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
266     .name       = "rootfs",
267     .mount      = rootfs_mount,
268     .kill_sb    = kill_litter_super,
269 };

2、init_mount_tree()调用vfs_kern_mount()挂载rootfs文件系统，详细的挂载过程与sysfs文件系统类似，不再赘述。

3、init_mount_tree()调用create_mnt_ns()创建命名空间，并设置该命名空间的挂载点为rootfs的挂载点，同时将rootfs的挂载点链接到该命名空间的双向链表中。

2459 static struct mnt_namespace *create_mnt_ns(struct vfsmount *m)
2460 {
2461     struct mnt_namespace *new_ns = alloc_mnt_ns(&init_user_ns);
2462     if (!IS_ERR(new_ns)) {
2463         struct mount *mnt = real_mount(m);
2464         mnt->mnt_ns = new_ns;
2465         new_ns->root = mnt;
2466         list_add(&mnt->mnt_list, &new_ns->list);
2467     }

4、init_mount_tree()设置init_task的命名空间，同时调用set_fs_pwd()和set_fs_root()设置init_task任务的当前目录和根目录为rootfs的根目录'/'。

2696     ns = create_mnt_ns(mnt);
2697     if (IS_ERR(ns))
2698         panic("Can't allocate initial namespace");
2699
2700     init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
2701     get_mnt_ns(ns);
2702
2703     root.mnt = mnt;
2704     root.dentry = mnt->mnt_root;
2705
2706     set_fs_pwd(current->fs, &root);
2707     set_fs_root(current->fs, &root);

通过以上分析，我们发现sysfs和rootfs的区别在于：虽然系统同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于init_task进程的命名空间内，也就是说系统当前实际使用的是rootfs文件系统。

此时，sysfs和rootfs在VFS中的视图如图3所示：为了突出主要关系，省略了挂载点指向超级块和根目录。

从图中看出，rootfs处于进程的命名空间中，并且进程的fs_struct数据结构的root和pwd都指向了rootfs的根目录'/'，所以用户实际使用的是rootfs文件系统。另外，rootfs为VFS提供了'/'根目录，所以文件操作和文件系统的挂载操作都可以在VFS上进行了。



图3

六、总结

linux文件系统在初始化时，同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于进程的命名空间中，且进程的root目录和pwd目录都指向rootfs的根目录。至此，linux的VFS已经准备好了根目录(rootfs的根目录'/')，此时用户可以使用系统调用对VFS树进行扩展。

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