【操作系统百科】initramfs

内核不可能编译进所有存储驱动——NVMe、RAID 控制器、LUKS 加密、LVM 的驱动从哪来？答案是 initramfs：一个临时的根文件系统，提供启动必需的模块和工具。

一、先看图

flowchart LR
    BL[Bootloader] -->|加载| KERNEL[vmlinuz]
    BL -->|加载| INITRD[initramfs.img<br/>cpio 归档]
    KERNEL --> UNPACK[解包 initramfs<br/>到 rootfs]
    UNPACK --> INIT_E[/init 脚本<br/>加载驱动/解密]
    INIT_E --> MOUNT[mount 真正 rootfs]
    MOUNT --> SWITCH[switch_root<br/>切换到真 root]
    SWITCH --> PID1[PID 1<br/>systemd]

    classDef early fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    classDef final fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class BL,KERNEL,INITRD early
    class UNPACK,INIT_E,MOUNT,SWITCH early
    class PID1 final

二、为什么需要 initramfs

内核 vmlinuz 不能包含所有驱动 → root 文件系统可能在：

• NVMe（需要 nvme 驱动）
• RAID（需要 md 驱动）
• LUKS 加密（需要 dm-crypt + 密码输入）
• LVM（需要 device-mapper）
• 网络（iSCSI / NFS root）

initramfs 提供这些模块 + 必要的用户态工具。

三、格式

initramfs 是 cpio 归档（可能 gzip/xz/zstd 压缩）：

# 查看内容
lsinitramfs /boot/initramfs-$(uname -r).img

# 手动解包
mkdir /tmp/initrd && cd /tmp/initrd
zcat /boot/initramfs-$(uname -r).img | cpio -idmv

四、/init 脚本

initramfs 中的 /init（或 systemd）：

1. 加载必要的内核模块
2. 检测并激活 RAID/LVM
3. 解密 LUKS
4. mount 真正的 root 文件系统
5. switch_root 切换

五、dracut

Fedora/RHEL/SUSE 使用 dracut 生成 initramfs：

dracut --force /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

5.1 模块化

dracut --list-modules
# base, bash, dm, lvm, luks, network, nfs, ...

每个 dracut 模块提供特定功能的脚本和工具。

5.2 配置

# /etc/dracut.conf.d/custom.conf
add_dracutmodules+=" lvm dm "
compress="zstd"

六、mkinitramfs / mkinitcpio

Debian 用 mkinitramfs，Arch 用 mkinitcpio——功能类似，生态不同。

七、Unified Kernel Image（UKI）

UKI = UEFI stub + 内核 + initramfs + 命令行 + 签名

一个文件 → UEFI 直接启动 → Secure Boot 签名覆盖全部。

# systemd-ukify 构建
ukify build \
  --linux /boot/vmlinuz \
  --initrd /boot/initrd.img \
  --cmdline "root=/dev/sda2" \
  --output /boot/efi/EFI/Linux/linux.efi

八、switch_root

// util-linux: switch_root
mount(new_root, "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
chroot(".");
chdir("/");
// exec real init
execv("/sbin/init", argv);

关键：switch_root 删除 initramfs 中的所有文件 → 释放内存 → exec PID 1。

九、观察

# 当前 initramfs
ls -lh /boot/initramfs-$(uname -r).img

# 内容
lsinitramfs /boot/initramfs-$(uname -r).img | head -20

# 启动日志中的 initramfs 阶段
dmesg | grep -i "initramfs\|switch_root\|Trying to unpack"

# dracut 重新生成
dracut --force --verbose

十、小结

• initramfs 是临时根文件系统 → 提供启动必需的驱动和工具
• cpio 归档格式 + 压缩
• dracut/mkinitramfs 生成
• switch_root 切换到真正 rootfs
• UKI 把内核+initramfs 打包为单个签名 EFI 应用

参考文献

• Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.rst
• usr/gen_init_cpio.c（内核内置 initramfs 工具）
• dracut documentation
• systemd-ukify(1)

工具

• dracut / mkinitramfs / mkinitcpio
• lsinitramfs / lsinitrd
• ukify

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