Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/dtor/input
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / ramfs-rootfs-initramfs.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ===========================
4 Ramfs, rootfs and initramfs
5 ===========================
6
7 October 17, 2005
8
9 Rob Landley <rob@landley.net>
10 =============================
11
12 What is ramfs?
13 --------------
14
15 Ramfs is a very simple filesystem that exports Linux's disk caching
16 mechanisms (the page cache and dentry cache) as a dynamically resizable
17 RAM-based filesystem.
18
19 Normally all files are cached in memory by Linux.  Pages of data read from
20 backing store (usually the block device the filesystem is mounted on) are kept
21 around in case it's needed again, but marked as clean (freeable) in case the
22 Virtual Memory system needs the memory for something else.  Similarly, data
23 written to files is marked clean as soon as it has been written to backing
24 store, but kept around for caching purposes until the VM reallocates the
25 memory.  A similar mechanism (the dentry cache) greatly speeds up access to
26 directories.
27
28 With ramfs, there is no backing store.  Files written into ramfs allocate
29 dentries and page cache as usual, but there's nowhere to write them to.
30 This means the pages are never marked clean, so they can't be freed by the
31 VM when it's looking to recycle memory.
32
33 The amount of code required to implement ramfs is tiny, because all the
34 work is done by the existing Linux caching infrastructure.  Basically,
35 you're mounting the disk cache as a filesystem.  Because of this, ramfs is not
36 an optional component removable via menuconfig, since there would be negligible
37 space savings.
38
39 ramfs and ramdisk:
40 ------------------
41
42 The older "ram disk" mechanism created a synthetic block device out of
43 an area of RAM and used it as backing store for a filesystem.  This block
44 device was of fixed size, so the filesystem mounted on it was of fixed
45 size.  Using a ram disk also required unnecessarily copying memory from the
46 fake block device into the page cache (and copying changes back out), as well
47 as creating and destroying dentries.  Plus it needed a filesystem driver
48 (such as ext2) to format and interpret this data.
49
50 Compared to ramfs, this wastes memory (and memory bus bandwidth), creates
51 unnecessary work for the CPU, and pollutes the CPU caches.  (There are tricks
52 to avoid this copying by playing with the page tables, but they're unpleasantly
53 complicated and turn out to be about as expensive as the copying anyway.)
54 More to the point, all the work ramfs is doing has to happen _anyway_,
55 since all file access goes through the page and dentry caches.  The RAM
56 disk is simply unnecessary; ramfs is internally much simpler.
57
58 Another reason ramdisks are semi-obsolete is that the introduction of
59 loopback devices offered a more flexible and convenient way to create
60 synthetic block devices, now from files instead of from chunks of memory.
61 See losetup (8) for details.
62
63 ramfs and tmpfs:
64 ----------------
65
66 One downside of ramfs is you can keep writing data into it until you fill
67 up all memory, and the VM can't free it because the VM thinks that files
68 should get written to backing store (rather than swap space), but ramfs hasn't
69 got any backing store.  Because of this, only root (or a trusted user) should
70 be allowed write access to a ramfs mount.
71
72 A ramfs derivative called tmpfs was created to add size limits, and the ability
73 to write the data to swap space.  Normal users can be allowed write access to
74 tmpfs mounts.  See Documentation/filesystems/tmpfs.rst for more information.
75
76 What is rootfs?
77 ---------------
78
79 Rootfs is a special instance of ramfs (or tmpfs, if that's enabled), which is
80 always present in 2.6 systems.  You can't unmount rootfs for approximately the
81 same reason you can't kill the init process; rather than having special code
82 to check for and handle an empty list, it's smaller and simpler for the kernel
83 to just make sure certain lists can't become empty.
84
85 Most systems just mount another filesystem over rootfs and ignore it.  The
86 amount of space an empty instance of ramfs takes up is tiny.
87
88 If CONFIG_TMPFS is enabled, rootfs will use tmpfs instead of ramfs by
89 default.  To force ramfs, add "rootfstype=ramfs" to the kernel command
90 line.
91
92 What is initramfs?
93 ------------------
94
95 All 2.6 Linux kernels contain a gzipped "cpio" format archive, which is
96 extracted into rootfs when the kernel boots up.  After extracting, the kernel
97 checks to see if rootfs contains a file "init", and if so it executes it as PID
98 1.  If found, this init process is responsible for bringing the system the
99 rest of the way up, including locating and mounting the real root device (if
100 any).  If rootfs does not contain an init program after the embedded cpio
101 archive is extracted into it, the kernel will fall through to the older code
102 to locate and mount a root partition, then exec some variant of /sbin/init
103 out of that.
104
105 All this differs from the old initrd in several ways:
106
107   - The old initrd was always a separate file, while the initramfs archive is
108     linked into the linux kernel image.  (The directory ``linux-*/usr`` is
109     devoted to generating this archive during the build.)
110
111   - The old initrd file was a gzipped filesystem image (in some file format,
112     such as ext2, that needed a driver built into the kernel), while the new
113     initramfs archive is a gzipped cpio archive (like tar only simpler,
114     see cpio(1) and Documentation/driver-api/early-userspace/buffer-format.rst).
115     The kernel's cpio extraction code is not only extremely small, it's also
116     __init text and data that can be discarded during the boot process.
117
118   - The program run by the old initrd (which was called /initrd, not /init) did
119     some setup and then returned to the kernel, while the init program from
120     initramfs is not expected to return to the kernel.  (If /init needs to hand
121     off control it can overmount / with a new root device and exec another init
122     program.  See the switch_root utility, below.)
123
124   - When switching another root device, initrd would pivot_root and then
125     umount the ramdisk.  But initramfs is rootfs: you can neither pivot_root
126     rootfs, nor unmount it.  Instead delete everything out of rootfs to
127     free up the space (find -xdev / -exec rm '{}' ';'), overmount rootfs
128     with the new root (cd /newmount; mount --move . /; chroot .), attach
129     stdin/stdout/stderr to the new /dev/console, and exec the new init.
130
131     Since this is a remarkably persnickety process (and involves deleting
132     commands before you can run them), the klibc package introduced a helper
133     program (utils/run_init.c) to do all this for you.  Most other packages
134     (such as busybox) have named this command "switch_root".
135
136 Populating initramfs:
137 ---------------------
138
139 The 2.6 kernel build process always creates a gzipped cpio format initramfs
140 archive and links it into the resulting kernel binary.  By default, this
141 archive is empty (consuming 134 bytes on x86).
142
143 The config option CONFIG_INITRAMFS_SOURCE (in General Setup in menuconfig,
144 and living in usr/Kconfig) can be used to specify a source for the
145 initramfs archive, which will automatically be incorporated into the
146 resulting binary.  This option can point to an existing gzipped cpio
147 archive, a directory containing files to be archived, or a text file
148 specification such as the following example::
149
150   dir /dev 755 0 0
151   nod /dev/console 644 0 0 c 5 1
152   nod /dev/loop0 644 0 0 b 7 0
153   dir /bin 755 1000 1000
154   slink /bin/sh busybox 777 0 0
155   file /bin/busybox initramfs/busybox 755 0 0
156   dir /proc 755 0 0
157   dir /sys 755 0 0
158   dir /mnt 755 0 0
159   file /init initramfs/init.sh 755 0 0
160
161 Run "usr/gen_init_cpio" (after the kernel build) to get a usage message
162 documenting the above file format.
163
164 One advantage of the configuration file is that root access is not required to
165 set permissions or create device nodes in the new archive.  (Note that those
166 two example "file" entries expect to find files named "init.sh" and "busybox" in
167 a directory called "initramfs", under the linux-2.6.* directory.  See
168 Documentation/driver-api/early-userspace/early_userspace_support.rst for more details.)
169
170 The kernel does not depend on external cpio tools.  If you specify a
171 directory instead of a configuration file, the kernel's build infrastructure
172 creates a configuration file from that directory (usr/Makefile calls
173 usr/gen_initramfs.sh), and proceeds to package up that directory
174 using the config file (by feeding it to usr/gen_init_cpio, which is created
175 from usr/gen_init_cpio.c).  The kernel's build-time cpio creation code is
176 entirely self-contained, and the kernel's boot-time extractor is also
177 (obviously) self-contained.
178
179 The one thing you might need external cpio utilities installed for is creating
180 or extracting your own preprepared cpio files to feed to the kernel build
181 (instead of a config file or directory).
182
183 The following command line can extract a cpio image (either by the above script
184 or by the kernel build) back into its component files::
185
186   cpio -i -d -H newc -F initramfs_data.cpio --no-absolute-filenames
187
188 The following shell script can create a prebuilt cpio archive you can
189 use in place of the above config file::
190
191   #!/bin/sh
192
193   # Copyright 2006 Rob Landley <rob@landley.net> and TimeSys Corporation.
194   # Licensed under GPL version 2
195
196   if [ $# -ne 2 ]
197   then
198     echo "usage: mkinitramfs directory imagename.cpio.gz"
199     exit 1
200   fi
201
202   if [ -d "$1" ]
203   then
204     echo "creating $2 from $1"
205     (cd "$1"; find . | cpio -o -H newc | gzip) > "$2"
206   else
207     echo "First argument must be a directory"
208     exit 1
209   fi
210
211 .. Note::
212
213    The cpio man page contains some bad advice that will break your initramfs
214    archive if you follow it.  It says "A typical way to generate the list
215    of filenames is with the find command; you should give find the -depth
216    option to minimize problems with permissions on directories that are
217    unwritable or not searchable."  Don't do this when creating
218    initramfs.cpio.gz images, it won't work.  The Linux kernel cpio extractor
219    won't create files in a directory that doesn't exist, so the directory
220    entries must go before the files that go in those directories.
221    The above script gets them in the right order.
222
223 External initramfs images:
224 --------------------------
225
226 If the kernel has initrd support enabled, an external cpio.gz archive can also
227 be passed into a 2.6 kernel in place of an initrd.  In this case, the kernel
228 will autodetect the type (initramfs, not initrd) and extract the external cpio
229 archive into rootfs before trying to run /init.
230
231 This has the memory efficiency advantages of initramfs (no ramdisk block
232 device) but the separate packaging of initrd (which is nice if you have
233 non-GPL code you'd like to run from initramfs, without conflating it with
234 the GPL licensed Linux kernel binary).
235
236 It can also be used to supplement the kernel's built-in initramfs image.  The
237 files in the external archive will overwrite any conflicting files in
238 the built-in initramfs archive.  Some distributors also prefer to customize
239 a single kernel image with task-specific initramfs images, without recompiling.
240
241 Contents of initramfs:
242 ----------------------
243
244 An initramfs archive is a complete self-contained root filesystem for Linux.
245 If you don't already understand what shared libraries, devices, and paths
246 you need to get a minimal root filesystem up and running, here are some
247 references:
248
249 - https://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/
250 - https://www.tldp.org/HOWTO/From-PowerUp-To-Bash-Prompt-HOWTO.html
251 - http://www.linuxfromscratch.org/lfs/view/stable/
252
253 The "klibc" package (https://www.kernel.org/pub/linux/libs/klibc) is
254 designed to be a tiny C library to statically link early userspace
255 code against, along with some related utilities.  It is BSD licensed.
256
257 I use uClibc (https://www.uclibc.org) and busybox (https://www.busybox.net)
258 myself.  These are LGPL and GPL, respectively.  (A self-contained initramfs
259 package is planned for the busybox 1.3 release.)
260
261 In theory you could use glibc, but that's not well suited for small embedded
262 uses like this.  (A "hello world" program statically linked against glibc is
263 over 400k.  With uClibc it's 7k.  Also note that glibc dlopens libnss to do
264 name lookups, even when otherwise statically linked.)
265
266 A good first step is to get initramfs to run a statically linked "hello world"
267 program as init, and test it under an emulator like qemu (www.qemu.org) or
268 User Mode Linux, like so::
269
270   cat > hello.c << EOF
271   #include <stdio.h>
272   #include <unistd.h>
273
274   int main(int argc, char *argv[])
275   {
276     printf("Hello world!\n");
277     sleep(999999999);
278   }
279   EOF
280   gcc -static hello.c -o init
281   echo init | cpio -o -H newc | gzip > test.cpio.gz
282   # Testing external initramfs using the initrd loading mechanism.
283   qemu -kernel /boot/vmlinuz -initrd test.cpio.gz /dev/zero
284
285 When debugging a normal root filesystem, it's nice to be able to boot with
286 "init=/bin/sh".  The initramfs equivalent is "rdinit=/bin/sh", and it's
287 just as useful.
288
289 Why cpio rather than tar?
290 -------------------------
291
292 This decision was made back in December, 2001.  The discussion started here:
293
294   http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0112.2/1538.html
295
296 And spawned a second thread (specifically on tar vs cpio), starting here:
297
298   http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0112.2/1587.html
299
300 The quick and dirty summary version (which is no substitute for reading
301 the above threads) is:
302
303 1) cpio is a standard.  It's decades old (from the AT&T days), and already
304    widely used on Linux (inside RPM, Red Hat's device driver disks).  Here's
305    a Linux Journal article about it from 1996:
306
307       http://www.linuxjournal.com/article/1213
308
309    It's not as popular as tar because the traditional cpio command line tools
310    require _truly_hideous_ command line arguments.  But that says nothing
311    either way about the archive format, and there are alternative tools,
312    such as:
313
314      http://freecode.com/projects/afio
315
316 2) The cpio archive format chosen by the kernel is simpler and cleaner (and
317    thus easier to create and parse) than any of the (literally dozens of)
318    various tar archive formats.  The complete initramfs archive format is
319    explained in buffer-format.txt, created in usr/gen_init_cpio.c, and
320    extracted in init/initramfs.c.  All three together come to less than 26k
321    total of human-readable text.
322
323 3) The GNU project standardizing on tar is approximately as relevant as
324    Windows standardizing on zip.  Linux is not part of either, and is free
325    to make its own technical decisions.
326
327 4) Since this is a kernel internal format, it could easily have been
328    something brand new.  The kernel provides its own tools to create and
329    extract this format anyway.  Using an existing standard was preferable,
330    but not essential.
331
332 5) Al Viro made the decision (quote: "tar is ugly as hell and not going to be
333    supported on the kernel side"):
334
335       http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0112.2/1540.html
336
337    explained his reasoning:
338
339      - http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0112.2/1550.html
340      - http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0112.2/1638.html
341
342    and, most importantly, designed and implemented the initramfs code.
343
344 Future directions:
345 ------------------
346
347 Today (2.6.16), initramfs is always compiled in, but not always used.  The
348 kernel falls back to legacy boot code that is reached only if initramfs does
349 not contain an /init program.  The fallback is legacy code, there to ensure a
350 smooth transition and allowing early boot functionality to gradually move to
351 "early userspace" (I.E. initramfs).
352
353 The move to early userspace is necessary because finding and mounting the real
354 root device is complex.  Root partitions can span multiple devices (raid or
355 separate journal).  They can be out on the network (requiring dhcp, setting a
356 specific MAC address, logging into a server, etc).  They can live on removable
357 media, with dynamically allocated major/minor numbers and persistent naming
358 issues requiring a full udev implementation to sort out.  They can be
359 compressed, encrypted, copy-on-write, loopback mounted, strangely partitioned,
360 and so on.
361
362 This kind of complexity (which inevitably includes policy) is rightly handled
363 in userspace.  Both klibc and busybox/uClibc are working on simple initramfs
364 packages to drop into a kernel build.
365
366 The klibc package has now been accepted into Andrew Morton's 2.6.17-mm tree.
367 The kernel's current early boot code (partition detection, etc) will probably
368 be migrated into a default initramfs, automatically created and used by the
369 kernel build.