Linux深入學(xué)習(xí)：如何分析根文件系統(tǒng)
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1）在Linux kernel的源代碼中，對(duì)如何啟動(dòng)應(yīng)用程序有著明確的定義。首先我們需要掛載根文件系統(tǒng)，只有正確掛載了根文件系統(tǒng)，才能夠從根文件系統(tǒng)中讀出應(yīng)用程序。我們啟動(dòng)的第一個(gè)程序就是init程序。init進(jìn)程完成了對(duì)應(yīng)用程序的各項(xiàng)配置（進(jìn)程ID、執(zhí)行時(shí)機(jī)、命令、終端、下一個(gè)執(zhí)行的進(jìn)程等），并最終依據(jù)配置執(zhí)行了應(yīng)用程序。 2）要執(zhí)行應(yīng)用程序，首先進(jìn)行配置。配置文件inittab里有著對(duì)應(yīng)用程序的詳細(xì)配置，這些都是C文件。init進(jìn)程讀出配置、分析配置并配置應(yīng)用程序、配置C庫(kù)（用到很多C庫(kù)里的函數(shù)）。最后執(zhí)行程序。 3）Busybox是一個(gè)遵循GPL v2協(xié)議的開源項(xiàng)目。Busybox將眾多的UNIX命令集合進(jìn)一個(gè)很小的可執(zhí)行程序中，可以用來(lái)替換GNU fileutils、shellutils等工具集。Busybox中各種命令與相應(yīng)的GNU工具相比，所能提供的選項(xiàng)較少，但是能夠滿足一般應(yīng)用。Busybox為各種小型的或者嵌入式系統(tǒng)提供了一個(gè)比較完全的工具集。更多詳細(xì)介紹參考README。
我們執(zhí)行
命令的時(shí)候?qū)嶋H是執(zhí)行busybox 命令
我們查看軟連接
內(nèi)核檢測(cè)根文件系統(tǒng)并啟動(dòng)init
內(nèi)核啟動(dòng)的最后一步就是啟動(dòng)init進(jìn)程，代碼在init/main.c/init_post函數(shù)
static?int?noinline?init_post(void)
{
????free_initmem();
????unlock_kernel();
????mark_rodata_ro();
????system_state?=?SYSTEM_RUNNING;
????numa_default_policy();
????if?(sys_open((const?char?__user?*)?"/dev/console",?O_RDWR,?0)?<?0)
????????printk(KERN_WARNING?"Warning:?unable?to?open?an?initial?console.n");
????(void)?sys_dup(0);
????(void)?sys_dup(0);
????if?(ramdisk_execute_command)?{
????????run_init_process(ramdisk_execute_command);
????????printk(KERN_WARNING?"Failed?to?execute?%sn",
????????????????ramdisk_execute_command);
????}
????/*
?????*?We?try?each?of?these?until?one?succeeds.
?????*
?????*?The?Bourne?shell?can?be?used?instead?of?init?if?we?are
?????*?trying?to?recover?a?really?broken?machine.
?????*/
????if?(execute_command)?{
????????run_init_process(execute_command);
????????printk(KERN_WARNING?"Failed?to?execute?%s.??Attempting?"
????????????????????"defaults...n",?execute_command);
????}
????run_init_process("/sbin/init");
????run_init_process("/etc/init");
????run_init_process("/bin/init");
????run_init_process("/bin/sh");
????panic("No?init?found.??Try?passing?init=?option?to?kernel.");
}內(nèi)核啟動(dòng)init進(jìn)程的過程如下：
(1)打開標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤設(shè)備open("/dev/console") 嘗試打開/dev/console設(shè)備文件，如果成功即為init進(jìn)程標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備。(void) sys_dup(0); (void) sys_dup(0);將文件描述符0復(fù)制給文件描述符1、2,所以標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出、錯(cuò)誤都對(duì)應(yīng)同一個(gè)文件(設(shè)備)
(2)如果execute_command變量指定了要運(yùn)行的程序，啟動(dòng)它。
if?(execute_command)?{
run_init_process(execute_command);
}其中execute_command為命令行參數(shù)，在我們uboot傳給內(nèi)核的參數(shù)中，init設(shè)置了init=/linuxrc,所以這里的execute_command就等于/linuxrc。
?如果傳值成功則執(zhí)行run_init_process，否則打印printk(KERN_WARNING “Failed to execute %s. ?Attempting “”defaults…n”, execute_command);
?并接著往下執(zhí)行，接著檢測(cè)其他位置的init進(jìn)程，若成功則執(zhí)行，失敗則接著往下檢測(cè)，直到找到合適的init進(jìn)程或者沒找到則打印panic(“No init found. ?Try passing init= option to kernel.”);
那么這里我們可以先使用nand erase root擦除root分區(qū)，也就是說擦除根文件系統(tǒng)，然后啟動(dòng)只有bootloader和kernel的系統(tǒng)。在結(jié)果是否和代碼中說明的一致，結(jié)果Linux kernel在啟動(dòng)過程中，打印出了如下的信息：
VFS:?Mounted?root?(yaffs?filesystem).?? Freeing?init?memory:?140K Warning:?unable?to?open?an?initial?console. Failed?to?execute?/linuxrc.??Attempting?defaults... Kernel?panic?-?not?syncing:?No?init?found.??Try?passing?init=?option?to?kernel.
首先是VFS：掛載了根文件系統(tǒng)，可能大家會(huì)問，不是剛剛已經(jīng)擦除了根文件系統(tǒng)，為什么說這里掛載了？
?這是因?yàn)楫?dāng)我們擦除了根文件系統(tǒng)的root分區(qū)后，Linux kernel認(rèn)為它是任意格式的根文件系統(tǒng)（其實(shí)分區(qū)里面什么都沒有），而默認(rèn)的又是yaffs格式，所以這里說掛載了yaffs格式的根文件系統(tǒng)。
?這里的warning難道不是和我們init_post函數(shù)中的printk(KERN_WARNING “Warning: unable to open an initial console.n”);相對(duì)應(yīng)嗎？
?同理，F(xiàn)ailed to execute /linuxrc. ?Attempting defaults…和printk(KERN_WARNING “Failed to execute %s. ?Attempting “”defaults…n”, execute_command);相對(duì)應(yīng)。
?Kernel panic - not syncing: No init found. ?Try passing init= option to kernel.和panic(“No init found. ?Try passing init= option to kernel.”);相對(duì)應(yīng)。
?so=>這證明我們的分析是正確的。
Busybox init進(jìn)程的啟動(dòng)過程
其中與構(gòu)建根文件系統(tǒng)關(guān)系密切的是控制臺(tái)的初始化、對(duì)inittab文件的解釋執(zhí)行。
內(nèi)核啟動(dòng)init進(jìn)程時(shí)已經(jīng)打開“/dev/console”設(shè)備作為控制臺(tái)，一般情況下Busybox init程序就使用/dev/console。
?但是如果內(nèi)核啟動(dòng)init進(jìn)程的同時(shí)設(shè)置了環(huán)境變量CONSOLE或console，則使用環(huán)境變量所指定的設(shè)備。
?在Busybox init程序中，還會(huì)檢查這個(gè)設(shè)備是否可以打開，如果不能打開則使用”/dev/null”。
/etc/inittab文件的相關(guān)文檔和示例代碼都在Busybox的examples/inittab文件中，我們來(lái)一探究竟
查看inittab文件得知inittab格式： Format?for?each?entry: #:::#id：????????The?id?field?is?used?by?BusyBox?init?to?specify?the?controlling?tty?for?the?specified?process?to?run?on.?? #runlevels:??The?runlevels?field?is?completely?ignored. #action:?????Valid?actions?include:???sysinit,?respawn,?askfirst,?wait,?once, #????????????????????????????????????????????restart,?ctrlaltdel,?and?shutdown. #process:????Specifies?the?process?to?be?executed?and?it's?command?line. /*******************************解析************************************/ 從默認(rèn)的new_init_action反推出默認(rèn)的配置文件： #?inittab格式： #:::#?id?=>?/dev/id，用作終端：stdin,stdout,stderr:printf,?scanf,?err（即標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出、錯(cuò)誤設(shè) #?備）,如果省略，則使用與Init進(jìn)程一樣的控制臺(tái)。 #?runlevels?:?忽略? #?action??????：執(zhí)行時(shí)機(jī)?sysinit,?respawn,?askfirst,?wait,?once, #????????????????????????restart,?ctrlaltdel,?and?shutdown. #?process?????：應(yīng)用程序或腳本,如果前有“-”字符，這個(gè)程序被稱為“交互的”。
在init_main函數(shù)中，調(diào)用了parse_inittab函數(shù)來(lái)讀取配置文件inittab。如果根文件系統(tǒng)中沒有/etc/inittab文件，Busybox init程序?qū)⑹褂媚J(rèn)的inittab條目。這里我們可以通過默認(rèn)的配置語(yǔ)句，倒推出默認(rèn)的配置文件內(nèi)容。
DIR:?init.c-parse_inittab函數(shù) /*?Reboot?on?Ctrl-Alt-Del?*/ ????????new_init_action(CTRLALTDEL,?"reboot",?""); ????????/*?Umount?all?filesystems?on?halt/reboot?*/ ????????new_init_action(SHUTDOWN,?"umount?-a?-r",?""); ????????/*?Swapoff?on?halt/reboot?*/ ????????if?(ENABLE_SWAPONOFF)?new_init_action(SHUTDOWN,?"swapoff?-a",?""); ????????/*?Prepare?to?restart?init?when?a?HUP?is?received?*/ ????????new_init_action(RESTART,?"init",?""); ????????/*?Askfirst?shell?on?tty1-4?*/ ????????new_init_action(ASKFIRST,?bb_default_login_shell,?""); ????????new_init_action(ASKFIRST,?bb_default_login_shell,?VC_2); ????????new_init_action(ASKFIRST,?bb_default_login_shell,?VC_3); ????????new_init_action(ASKFIRST,?bb_default_login_shell,?VC_4); ????????/*?sysinit?*/ ????????new_init_action(SYSINIT,?INIT_SCRIPT,?""); /*******************************解析************************************/ ::ctrlaltdel:/sbin/reboot ::shutdown:/bin/umount?-a?-r ::shutdown:/sbin/swapoff?-a ::restart:/sbin/init ::askfirst:-/bin/sh tty2::askfirst:-/bin/sh tty3::askfirst:-/bin/sh tty4::askfirst:-/bin/sh? ::sysinit:/etc/init.d/rcS
這里涉及到了一個(gè)函數(shù) new_init_action 。 它實(shí)際上的工作就是把各個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)機(jī)、命令行、控制臺(tái)參數(shù)分別賦值給結(jié)構(gòu)體，并把這些結(jié)構(gòu)體組成一個(gè)單鏈表。這也就是我們所說的配置。 它的聲明是：static void new_init_action(int action, const char *command, const char *cons)；這三個(gè)參數(shù)不正是inittab配置文件中的配置命令嗎？他們分別對(duì)應(yīng)于來(lái)看看new_init_action函數(shù)：
DIR:init.c-new_init_action函數(shù)
static?void?new_init_action(int?action,?const?char?*command,?const?char?*cons)
{
????struct?init_action?*new_action,?*a,?*last;
????if?(strcmp(cons,?bb_dev_null)?==?0?&&?(action?&?ASKFIRST))
????????return;
????/*?Append?to?the?end?of?the?list?*/
????for?(a?=?last?=?init_action_list;?a;?a?=?a->next)?{
????????/*?don't?enter?action?if?it's?already?in?the?list,
?????????*?but?do?overwrite?existing?actions?*/
????????if?((strcmp(a->command,?command)?==?0)
?????????&&?(strcmp(a->terminal,?cons)?==?0)
????????)?{
????????????a->action?=?action;
????????????return;
????????}
????????last?=?a;
????}
????new_action?=?xzalloc(sizeof(struct?init_action));
????if?(last)?{
????????last->next?=?new_action;
????}?else?{
????????init_action_list?=?new_action;
????}
????strcpy(new_action->command,?command);
????new_action->action?=?action;
????strcpy(new_action->terminal,?cons);
????messageD(L_LOG?|?L_CONSOLE,?"command='%s'?action=%d?tty='%s'n",
????????new_action->command,?new_action->action,?new_action->terminal);
}
/*?Set?up?a?linked?list?of?init_actions,?to?be?read?from?inittab?*/
struct?init_action?{
? struct?init_action?*next;
?int?action;
?pid_t?pid;
?char?command[INIT_BUFFS_SIZE];
?char?terminal[CONSOLE_NAME_SIZE];
};new_init_action函數(shù)用于配置，參數(shù)為執(zhí)行時(shí)機(jī)、命令行、控制臺(tái)。
?結(jié)構(gòu)體指針new_action開始指向上一個(gè)配置過的程序（其存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體，參數(shù)是上一個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)機(jī)、命令行、控制臺(tái)），這里首先進(jìn)行了一個(gè)If判斷，如果控制臺(tái)等于bb_dev_null（宏定義等于 /dev/null）且action為ASKFIRST那么直接返回，不進(jìn)行任何配置。
?接著這個(gè)for循環(huán)算是這個(gè)函數(shù)的一個(gè)重點(diǎn)吧，首先令結(jié)構(gòu)體指針init_action_list賦值給a和last。
?這里的init_action_list(宏定義為NULL)開始為NULL，后來(lái)指向第一個(gè)配置的程序。
?也就是說，遍歷所有配置過的程序，如果這個(gè)程序之前被配置過（命令行和控制臺(tái)同時(shí)等于當(dāng)前遍歷的程序），那么執(zhí)行時(shí)機(jī)action被重新賦值為當(dāng)前值。
?通俗的說，這個(gè)for為了避免程序重復(fù)配置，查找之前配置過的程序有沒有當(dāng)前要配置的程序，如果有，則只改變其執(zhí)行時(shí)機(jī)action。命令行和控制臺(tái)不變。
?如果沒有，接下來(lái)為new_action重新分配內(nèi)存，并且給它賦值，令它的各項(xiàng)信息等于當(dāng)前的程序。在上面的if語(yǔ)句中，last->next=new_action，也就是說，將所有程序的配置結(jié)構(gòu)體連成一個(gè)單鏈表。
new_init_action函數(shù)講解完畢。
經(jīng)過上面的講解，我們明白了Linux根文件系統(tǒng)中，對(duì)于程序的配置是在parse_inittab函數(shù)完成的，它打開配置文件inittab，將程序信息一一填入結(jié)構(gòu)體init_action，并將它們連接成單鏈表?，F(xiàn)在配置已經(jīng)完成，下一步是執(zhí)行了。接著看init_main中的代碼是怎樣執(zhí)行應(yīng)用程序的：
busybox->?init_main
????????????parse_inittab
????????????????file?=?fopen(INITTAB,?"r");?//打開配置文件/etc/inittab
????????????????new_init_action?????//?①?創(chuàng)建一個(gè)init_action結(jié)構(gòu)，填充
????????????????????????????????????//?②?把這個(gè)結(jié)構(gòu)放入init_action_list鏈表
????????????run_actions(SYSINIT);
????????????????waitfor(a,?0);??????//?執(zhí)行應(yīng)用程序，等待它執(zhí)行完畢
????????????????????run(a)??????????//?創(chuàng)建process子進(jìn)程
????????????????????waitpid(runpid,?&status,?0);?//?等待它結(jié)束
????????????????delete_init_action(a);//?在init_action_list鏈表里刪除?????????????
????????????run_actions(WAIT);
????????????????waitfor(a,?0);??????//?執(zhí)行應(yīng)用程序，等待它執(zhí)行完畢
????????????????????run(a)??????????//?創(chuàng)建process子進(jìn)程
????????????????????waitpid(runpid,?&status,?0);?//?等待它結(jié)束
????????????????delete_init_action(a);//?在init_action_list鏈表里刪除?
????????????run_actions(ONCE);
????????????????run(a);
????????????????delete_init_action(a);
????????????while(1)?{
????????????????run_actions(RESPAWN);
????????????????????if?(a->pid?==?0)?{
????????????????????????a->pid?=?run(a);
????????????????????}
????????????????run_actions(ASKFIRST);
????????????????????if?(a->pid?==?0)?{
????????????????????????a->pid?=?run(a);
????????????????????????????????打印:Please?press?Enter?to?activate?this?console.
????????????????????????????????等待回車
????????????????????????????????創(chuàng)建子進(jìn)程
????????????????????}
????????????????wpid?=?wait(NULL);??//?等待子進(jìn)程退出
????????????????while?(wpid?>?0)?{
????????????????????a->pid?=?0;?????//?退出后，就設(shè)置pid=0
????????????????}
????????????}在/etc/inittab文件的控制下，init進(jìn)程的行為總結(jié)如下：
① 在系統(tǒng)啟動(dòng)前期，init進(jìn)程首先啟動(dòng)為sysinit、wait、once的3類子進(jìn)程。
② 在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，init進(jìn)程首先啟動(dòng)為respawn、askfirst的兩類子進(jìn)程。
③ 在系統(tǒng)退出時(shí)，執(zhí)行為shutdown、restart、ctrlaltdel的三類子進(jìn)程(之一或全部)
從而我們可以總結(jié)出來(lái)最小的根文件系統(tǒng)由5部分組成：
1./dev/console or/dev/null
2.init => busybox
3./etc/inittab
4.配置文件指定的程序
5.C庫(kù)
busybox的配置、編譯和安裝
打開busybox自帶的INSTALL文件查看我們?cè)撛鯓优渲谩⒕幾g和安裝busybox。
Building: ========= The?BusyBox?build?process?is?similar?to?the?Linux?kernel?build: ??make?menuconfig?????#?This?creates?a?file?called?".config" ??make????????????????#?This?creates?the?"busybox"?executable ??make?install????????#?or?make?CONFIG_PREFIX=/path/from/root?install The?full?list?of?configuration?and?install?options?is?available?by?typing: ??make?help
1.配置
進(jìn)入busybox文件夾make menuconfig生成配置文件.config
2.編譯
由于我們文件系統(tǒng)是給嵌入式板子用的，先修改Busybox的Makefile，使用交叉編譯器。
修改前
ARCH?????????=?$(SUBARCH) CROSS_COMPILE????=
修改后
ARCH?????????=?$(SUBARCH) CROSS_COMPILE????=?arm-linux-
然后make3.安裝
注意：如果你是在虛擬機(jī)上安裝busybox，安裝不可直接執(zhí)行make INSTALL，必須在虛擬機(jī)下自己創(chuàng)建一個(gè)文件夾，將安裝路徑指向這個(gè)文件夾的路徑。再執(zhí)行make CONFIG_PREFIX=dir_path install否則會(huì)破壞系統(tǒng)。
注：除bin/busybox外，其他文件都是到bin/busybox的符號(hào)連接。busybox是所有命令的集合體，這些符號(hào)連接文件可以直接運(yùn)行。比如在開發(fā)板上，運(yùn)行“l(fā)s”命令和”busybox ls”命令是一樣的。
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