overlayfs是一种叠加文件系统，在openwrt和安卓系统中都有很广泛的应用，overlayfs通常用于将只读根文件系统(rootfs)和可写文件系统(jffs2)进行叠加后形成一个新的文件系统，这个新的文件系统“看起来”是可读写的，这种做法的好处是：

  • 对这个新文件系统的修改(删除也属于修改)都只保存在可写文件系统中，只读根文件系统不受任何影响
  • 将可写文件系统格式化后，可以将整个文件系统恢复到初始状态(相当于只有只读根文件系统的状态)
  • 减少flash擦写次数，延长设备使用寿命

下面就开始介绍openwrt系统中的overlayfs是如何挂载的，挂载过程可以分为2个部分：

  • 只读根文件系统(rootfs)挂载过程
  • overlayfs 挂载过程（包括可写文件系统(rootfs_data)挂载过程）

只读根文件系统(rootfs)挂载过程

kernel的启动流程大致如下：
在这里插入图片描述

prepare_namespace

prepare_namespace负责根文件系统的挂载

void __init prepare_namespace(void)
{
	int is_floppy;

	if (root_delay) {
		printk(KERN_INFO "Waiting %d sec before mounting root device...\n",
		       root_delay);
		ssleep(root_delay);
	}
	wait_for_device_probe(); // 等待所有的设备初始化完成

	md_run_setup();

	if (saved_root_name[0]) {
		root_device_name = saved_root_name;
		if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||
		    !strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {
			mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);
			goto out;
		}
		ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);
		if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
			root_device_name += 5;
	}

	if (initrd_load())
		goto out;
	/* wait for any asynchronous scanning to complete */
	if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) {
		printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s...\n",
			saved_root_name);
		while (driver_probe_done() != 0 ||
			(ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)
			msleep(5);
		async_synchronize_full();
	}

	is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;

	if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
		ROOT_DEV = Root_RAM0;

	mount_root();
out:
	devtmpfs_mount("dev");
	ksys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
	ksys_chroot(".");
}
  • root_delay：如果cmdline中有“rootdelay=xxx”，则调用ssleep延迟xxx秒,例如“rootdelay=10”,则延时10s
  • wait_for_device_probe()是等待所有的设备probe完成，
  • saved_root_name：如果cmdline中有“root=xxx”，则saved_root_name=xxx。在我当前的系统中 root=/dev/mmcblk1p65,所以saved_root_name=/dev/mmcblk1p65
  • mount_block_root: 如果root_device_name前三个字符是“ubi”或者“mtd”，则调用mount_block_root进行挂载根文件系统，这里主要是针对ubifs这一种文件系统进行特殊处理,因为ubifs根文件系统对应cmdline的参数一般是：ubi.mtd=1 root=ubi0:rootfs rootfstype=ubifs ,而其他文件系统一般是root=/dev/xxx.saved_root_name会被赋值给root_device_name。
  • ROOT_DEV：root_device_name设备对应的设备号(/dev/mmcblk1p65设备对应主设备号是259，次设备号是0)
  • while (driver_probe_done() != 0): 等待所有saved_root_name设备probe完成(dev/xxx节点被创建)
  • mount_root：开始挂载根文件系统

mount_root(内核层)

void __init mount_root(void)
{
#ifdef CONFIG_ROOT_NFS
	if (ROOT_DEV == Root_NFS) {
		if (!mount_nfs_root())
			printk(KERN_ERR "VFS: Unable to mount root fs via NFS.\n");
		return;
	}
#endif
#ifdef CONFIG_CIFS_ROOT
	if (ROOT_DEV == Root_CIFS) {
		if (!mount_cifs_root())
			printk(KERN_ERR "VFS: Unable to mount root fs via SMB.\n");
		return;
	}
#endif
#ifdef CONFIG_MTD_ROOTFS_ROOT_DEV
	if (!mount_ubi_rootfs())
		return;
#endif
#ifdef CONFIG_BLOCK
	{
		int err = create_dev("/dev/root", ROOT_DEV);

		if (err < 0)
			pr_emerg("Failed to create /dev/root: %d\n", err);
		mount_block_root("/dev/root", root_mountflags);
	}
#endif
}
  • CONFIG_MTD_ROOTFS_ROOT_DEV 的作用是告诉 Linux 内核在引导过程中从哪个 MTD 设备加载根文件系统，一般支持NANDFlash的设备都会开启这个选项
  • mount_ubi_rootfs() 尝试挂载ubifs,如果挂载成功，则不再继续后续的挂载步骤。
  • CONFIG_BLOCK是开启块设备子系统，对于绝大多数文件系统(EXT4、yaffs2、XFS、FAT等)都需要块设备子系统的支持。
  • create_dev(“/dev/root”, ROOT_DEV) 创建了一个设备节点/dev/root,/dev/root是根文件系统设备的抽象，因为它的设备号也是ROOT_DEV,前面有提到ROOT_DEV就是实际的根文件系统设备节点。这样做的好处是不用关心实际的根文件系统设备是什么，直接对/dev/root进行mount就可以实现根文件系统的挂载。
  • mount_block_root(“/dev/root”, root_mountflags) 挂载/dev/root
void __init mount_block_root(char *name, int flags)
{
	struct page *page = alloc_page(GFP_KERNEL);
	char *fs_names = page_address(page);
	char *p;
	char b[BDEVNAME_SIZE];

	scnprintf(b, BDEVNAME_SIZE, "unknown-block(%u,%u)",
		  MAJOR(ROOT_DEV), MINOR(ROOT_DEV));
	get_fs_names(fs_names);
retry:
	for (p = fs_names; *p; p += strlen(p)+1) {
		int err = do_mount_root(name, p, flags, root_mount_data);
		switch (err) {
			case 0:
				goto out;
			case -EACCES:
			case -EINVAL:
				continue;
		}
	        /*
		 * Allow the user to distinguish between failed sys_open
		 * and bad superblock on root device.
		 * and give them a list of the available devices
		 */
		printk("VFS: Cannot open root device \"%s\" or %s: error %d\n",
				root_device_name, b, err);
		printk("Please append a correct \"root=\" boot option; here are the available partitions:\n");

		printk_all_partitions();
#ifdef CONFIG_DEBUG_BLOCK_EXT_DEVT
		printk("DEBUG_BLOCK_EXT_DEVT is enabled, you need to specify "
		       "explicit textual name for \"root=\" boot option.\n");
#endif
		panic("VFS: Unable to mount root fs on %s", b);
	}
	if (!(flags & SB_RDONLY)) {
		flags |= SB_RDONLY;
		goto retry;
	}

	printk("List of all partitions:\n");
	printk_all_partitions();
	printk("No filesystem could mount root, tried: ");
	for (p = fs_names; *p; p += strlen(p)+1)
		printk(" %s", p);
	printk("\n");
	panic("VFS: Unable to mount root fs on %s", b);
out:
	put_page(page);
}
  • get_fs_names(fs_names) 获取根文件系统类型，如果cmdline中有指定rootfstype=xxx，那么就直接返回xxx，否则就将所有注册进内核的文件系统类型存入变量 fs_names，并用,隔开。
  • for (p = fs_names; *p; p += strlen§+1) 是依次尝试使用fs_names 里面的文件系统类型进行挂载。
  • do_mount_root(name, p, flags, root_mount_data) 是具体挂载过程，此处name=/dev/root，一旦挂载成功则退出整个挂载步骤，不会再继续尝试其他文件系统类型。
static int __init do_mount_root(const char *name, const char *fs,
				 const int flags, const void *data)
{
	struct super_block *s;
	struct page *p = NULL;
	char *data_page = NULL;
	int ret;

	if (data) {
		/* init_mount() requires a full page as fifth argument */
		p = alloc_page(GFP_KERNEL);
		if (!p)
			return -ENOMEM;
		data_page = page_address(p);
		/* zero-pad. init_mount() will make sure it's terminated */
		strncpy(data_page, data, PAGE_SIZE);
	}

	ret = init_mount(name, "/root", fs, flags, data_page);
	if (ret)
		goto out;

	init_chdir("/root");
	s = current->fs->pwd.dentry->d_sb;
	ROOT_DEV = s->s_dev;
	printk(KERN_INFO
	       "VFS: Mounted root (%s filesystem)%s on device %u:%u.\n",
	       s->s_type->name,
	       sb_rdonly(s) ? " readonly" : "",
	       MAJOR(ROOT_DEV), MINOR(ROOT_DEV));

out:
	if (p)
		put_page(p);
	return ret;
}
  • data 是上一步传入的root_mount_data变量，root_mount_data 是cmdline 中 “rootflags=xxx” 参数=后面的部分，即挂载选项。如果不为空，则需要申请内存保存data
  • init_mount(name, “/root”, fs, flags, data_page) 将/dev/root设备挂载到/root
  • init_chdir(“/root”) 将当前工作路径改为/root
  • s = current->fs->pwd.dentry->d_sb 获取当前文件系统的超级块
  • ROOT_DEV = s->s_dev 将超级块的设备号赋值给 ROOT_DEV
  • 这时候可以看到如下内核打印，说明rootfs已经挂载成功
[    2.337243] VFS: Mounted root (squashfs filesystem) readonly on device 259:0.
# device 259:0 对应设备 
brw-------    1 root     root      259,   0 Jan  1  1970 /dev/mmcblk1p65

overlayfs 挂载过程

在openwrt系统中，overlayfs 挂载需要使用 fstools工具。fstools并不是一个具体的tool，它包含了多个小工具，这些小工具都是运行在应用层的，这也说明了overlayfs是在应用层进行挂载的。

fstools

fstools包括如下工具：

  • jffs2reset 用于恢复出厂设置
  • mount_root 用于挂载overlayfs
  • libfstools.so 提供API，其他进程可以调用这些API操作overlayfs

除此之外，下列工具也放在fstools的包里面，它们是基于fstools开发出来的拓展工具，而且如果需要安装下面的工具，除了
使能CONFIG_PACKAGE_fstools=y之外，还需要使能对应的配置。

  • block (CONFIG_PACKAGE_block-mount)
  • blockd (CONFIG_PACKAGE_blockd)
  • snapshot_tool (CONFIG_PACKAGE_snapshot-tool)
  • ubi (CONFIG_PACKAGE_ubi-utils）

mount_root(应用层)

mount_root就是用来挂载overlayfs的工具,它支持4种模式：

  • 默认(无参数)：挂载overlayfs模式
  • ram ：挂载基于ram的overlayfs
  • stop：获取SHUTDOWN环境变量状态
  • done：挂载结束后置文件系统状态位

mount_root 整体流程如下：
在这里插入图片描述

//fstools-2022-06-02-93369be0/mount_root.c
int main(int argc, char **argv)
{
	if (argc < 2)
		return start(argc, argv);
	if (!strcmp(argv[1], "ram"))
		return ramoverlay();
	if (!strcmp(argv[1], "stop"))
		return stop(argc, argv);
	if (!strcmp(argv[1], "done"))
		return done(argc, argv);
	return -1;
}

在oepnwrt系统运行第一个进程(1号进程)时，mount_root就会被调用。可以看到此时mount_root没有携带任何参数，所以它首先走的是start(argc, argv) 逻辑。

# openwrt/package/base-files/files/lib/preinit/80_mount_root
do_mount_root() {
	mount_root
	boot_run_hook preinit_mount_root
	[ -f /sysupgrade.tgz -o -f /tmp/sysupgrade.tar ] && {
		echo "- config restore -"
		cp /etc/passwd /etc/group /etc/shadow /tmp
		cd /
		[ -f /sysupgrade.tgz ] && tar xzf /sysupgrade.tgz
		[ -f /tmp/sysupgrade.tar ] && tar xf /tmp/sysupgrade.tar
		missing_lines /tmp/passwd /etc/passwd >> /etc/passwd
		missing_lines /tmp/group /etc/group >> /etc/group
		missing_lines /tmp/shadow /etc/shadow >> /etc/shadow
		rm /tmp/passwd /tmp/group /tmp/shadow
		# Prevent configuration corruption on a power loss
		sync
	}
}
mount_root->start
static int
start(int argc, char *argv[1])
{
	struct volume *root;
	struct volume *data = volume_find("rootfs_data");
	struct stat s;

	if (!getenv("PREINIT") && stat("/tmp/.preinit", &s))
		return -1;

	if (!data) {
		root = volume_find("rootfs");
		volume_init(root);
		ULOG_NOTE("mounting /dev/root\n");
		mount("/dev/root", "/", NULL, MS_NOATIME | MS_REMOUNT, 0);
	}

	/* Check for extroot config in rootfs before even trying rootfs_data */
	if (!mount_extroot("")) {
		ULOG_NOTE("switched to extroot\n");
		return 0;
	}

	/* There isn't extroot, so just try to mount "rootfs_data" */
	volume_init(data);
	switch (volume_identify(data)) {
	case FS_NONE:
		ULOG_WARN("no usable overlay filesystem found, using tmpfs overlay\n");
		return ramoverlay();

	case FS_DEADCODE:
		/*
		 * Filesystem isn't ready yet and we are in the preinit, so we
		 * can't afford waiting for it. Use tmpfs for now and handle it
		 * properly in the "done" call.
		 */
		ULOG_NOTE("jffs2 not ready yet, using temporary tmpfs overlay\n");
		return ramoverlay();

	case FS_EXT4:
	case FS_F2FS:
	case FS_JFFS2:
	case FS_UBIFS:
		mount_overlay(data);
		break;

	case FS_SNAPSHOT:
		mount_snapshot(data);
		break;
	}

	return 0;
}
  • volume_find(“rootfs_data”) 查询分区name为rootfs_data的分区,这里最终调用的是volume>-driver->find(),不同类型的文件系统会有不同的实现，find()过程会初始化一个volume对象，但volume对象的成员信息有可能是不完整的，还需要在接下来的init()环节继续填充完整。
  • volume_init(data) 初始化volume对象，继续完善volume成员信息，这里最终调用的是volume>-driver->init()
  • volume_identify(data) 识别volume指向的分区的文件系统类型，如果是FS_EXT4 FS_F2FS FS_JFFS2 FS_UBIFS这4种文件系统之一，接下来就会执行挂载overlayfs流程，这里最终调用的是volume>-driver->identify()
int mount_overlay(struct volume *v)
{
	const char *overlay_mp = "/tmp/overlay";
	char *mp, *fs_name;
	int err;

	if (!v)
		return -1;

	mp = find_mount_point(v->blk, 0);
	if (mp) {
		ULOG_ERR("rootfs_data:%s is already mounted as %s\n", v->blk, mp);
		return -1;
	}

	err = overlay_mount_fs(v, overlay_mp);
	if (err)
		return err;

	/*
	 * Check for extroot config in overlay (rootfs_data) and if present then
	 * prefer it over rootfs_data.
	 */
	if (!mount_extroot(overlay_mp)) {
		ULOG_INFO("switched to extroot\n");
		return 0;
	}

	switch (fs_state_get(overlay_mp)) {
	case FS_STATE_UNKNOWN:
		fs_state_set(overlay_mp, FS_STATE_PENDING);
		if (fs_state_get(overlay_mp) != FS_STATE_PENDING) {
			ULOG_ERR("unable to set filesystem state\n");
			break;
		}
	case FS_STATE_PENDING:
		ULOG_INFO("overlay filesystem has not been fully initialized yet\n");
		overlay_delete(overlay_mp, true);
		break;
	case FS_STATE_READY:
		break;
	}

	fs_name = overlay_fs_name(volume_identify(v));
	ULOG_INFO("switching to %s overlay\n", fs_name);
	if (mount_move("/tmp", "", "/overlay") || fopivot("/overlay", "/rom")) {
		ULOG_ERR("switching to %s failed - fallback to ramoverlay\n", fs_name);
		return ramoverlay();
	}

	return -1;
}
  • const char *overlay_mp = “/tmp/overlay” 定义临时挂载点
  • find_mount_point 查找rootfs_data分区的挂载点，主要目的是为了确认rootfs_data是否已经挂载，如果未挂载，则继续执行
  • overlay_mount_fs 将rootfs_data分区挂载到 /tmp/overlay目录
  • overlay_fs_name(volume_identify(v)) 获取rootfs_data分区文件系统的类型
  • mount_move(“/tmp”, “”, “/overlay”) 将挂载点 /tmp/overlay 迁移至 /overlay,
  • fopivot(“/overlay”, “/rom”) 挂载overlayfs，可写文件系统的挂载点为/overlay ，/rom此时还只是一个普通文件夹
int fopivot(char *rw_root, char *ro_root)
{
	char overlay[64], mount_options[64], upperdir[64], workdir[64], upgrade[64], upgrade_dest[64];
	struct stat st;

	if (find_filesystem("overlay")) {
		ULOG_ERR("BUG: no suitable fs found\n");
		return -1;
	}

	snprintf(overlay, sizeof(overlay), "overlayfs:%s", rw_root);
	snprintf(upperdir, sizeof(upperdir), "%s/upper", rw_root);
	snprintf(workdir, sizeof(workdir), "%s/work", rw_root);
	snprintf(upgrade, sizeof(upgrade), "%s/sysupgrade.tgz", rw_root);
	snprintf(upgrade_dest, sizeof(upgrade_dest), "%s/sysupgrade.tgz", upperdir);
	snprintf(mount_options, sizeof(mount_options), "lowerdir=/,upperdir=%s,workdir=%s",
		 upperdir, workdir);

	/*
	 * Initialize SELinux security label on newly created overlay
	 * filesystem where /upper doesn't yet exist
	 */
	if (stat(upperdir, &st))
		selinux_restorecon(rw_root);

	/*
	 * Overlay FS v23 and later requires both a upper and
	 * a work directory, both on the same filesystem, but
	 * not part of the same subtree.
	 * We can't really deal with these constraints without
	 * creating two new subdirectories in /overlay.
	 */
	if (mkdir(upperdir, 0755) == -1 && errno != EEXIST)
		return -1;

	if (mkdir(workdir, 0755) == -1 && errno != EEXIST)
		return -1;

	if (stat(upgrade, &st) == 0)
		rename(upgrade, upgrade_dest);

	if (mount(overlay, "/mnt", "overlay", MS_NOATIME, mount_options)) {
		ULOG_ERR("mount failed: %m, options %s\n", mount_options);
		return -1;
	}

	return pivot("/mnt", ro_root);
}
  • find_filesystem(“overlay”) 判断当前内核是否支持overlayfs
  • snprintf(mount_options,xxx) 设置overlayfs的挂载选项，主要是设置lowerdir,upperdir,workdir
  • mount(overlay, “/mnt”, “overlay”, MS_NOATIME, mount_options) 将overlayfs挂载到 /mnt目录
  • pivot(“/mnt”, ro_root) 这一步操作比较复杂，它主要做了2件事情：1.将当前进程的/ 重新挂载到ro_root目录，也就是/rom 2.将/mnt重新挂载为新的/，因为上一步中overlayfs挂载到 /mnt，所以这一步结果是 overlayfs挂载到 /。

最终的效果如下：

$ mount
/dev/root on /rom type squashfs (ro,relatime)  # 只读文件系统
/dev/mmcblk1p66 on /overlay type ext4 (rw,noatime) # 可写文件系统
overlayfs:/overlay on / type overlay (rw,noatime,lowerdir=/,upperdir=/overlay/upper,workdir=/overlay/work) #overlayfs

有关volume 和 driver相关说明如下：

  • volume
    volume 用于描述一个分区(块设备)，但与ubifs中的volume不是一个概念，要注意区分。
    这里的volume包含如下信息：
enum {
	UNKNOWN_TYPE,
	NANDFLASH,
	NORFLASH,
	UBIVOLUME,
	BLOCKDEV,
};

struct volume {
	struct driver	*drv;//分区对应driver
	char		*name;//分区名 
	char		*blk;//分区对应的设备节点，dev/xxx

	__u64		size;//分区大小
	__u32		block_size;//块大小
	int		type;//NANDFLASH/NORFLASH/UBIVOLUME
};
  • driver
    driver是操作volume的驱动，包括初始化、查找、读写、擦除等操作，这些操作与具体的文件系统有关，因此不同的文件系统会对应不同的driver。
typedef int (*volume_probe_t)(void);
typedef int (*volume_init_t)(struct volume *v);
typedef void (*volume_stop_t)(struct volume *v);
typedef struct volume *(*volume_find_t)(char *name);
typedef int (*volume_identify_t)(struct volume *v);
typedef int (*volume_read_t)(struct volume *v, void *buf, int offset, int length);
typedef int (*volume_write_t)(struct volume *v, void *buf, int offset, int length);
typedef int (*volume_erase_t)(struct volume *v, int start, int len);
typedef int (*volume_erase_all_t)(struct volume *v);

struct driver {
	struct list_head	list;//用于将多个不同的driver挂接在一起
	char			*name;//驱动名
	volume_probe_t		probe;
	volume_init_t		init;//
	volume_stop_t		stop;
	volume_find_t		find;
	volume_identify_t	identify;
	volume_read_t		read;
	volume_write_t		write;
	volume_erase_t		erase;
	volume_erase_all_t	erase_all;
};
mount_root->ram
int
ramoverlay(void)
{
	mkdir("/tmp/root", 0755);
	mount("tmpfs", "/tmp/root", "tmpfs", MS_NOATIME, "mode=0755");

	return fopivot("/tmp/root", "/rom");
}
  • mount(“tmpfs”, “/tmp/root”, “tmpfs”, MS_NOATIME, “mode=0755”) 挂载tmpfs
  • fopivot(“/tmp/root”, “/rom”) 将当前进程的/ 重新挂载到/rom目录 然后将/tmp/root重新挂载为新的/,这种overlayfs的可写部分是基于RAM的文件系统，所有的修改掉电后会丢失。当mount_root挂载基于Flash的overlayfs失败时，也会切换至这种模式。
mount_root->stop
static int
stop(int argc, char *argv[1])
{
	if (!getenv("SHUTDOWN"))
		return -1;

	return 0;
}
  • getenv(“SHUTDOWN”) 获取SHUTDOWN环境变量，如果获取失败，则返回-1;
mount_root->done
# openwrt/package/base-files/files/etc/init.d/done
#!/bin/sh /etc/rc.common
# Copyright (C) 2006 OpenWrt.org

START=95
boot() {
	mount_root done
	rm -f /sysupgrade.tgz && sync

	# process user commands
	[ -f /etc/rc.local ] && {
		sh /etc/rc.local
	}

	# set leds to normal state
	. /etc/diag.sh
	set_state done
}
  • mount_root done 会在done脚本中被调用，done脚本启动顺序是95,所以这时候已经是openwrt系统启动的尾声了。
static int
done(int argc, char *argv[1])
{
	struct volume *v = volume_find("rootfs_data");

	if (!v)
		return -1;

	switch (volume_identify(v)) {
	case FS_NONE:
	case FS_DEADCODE:
		return jffs2_switch(v);

	case FS_EXT4:
	case FS_F2FS:
	case FS_JFFS2:
	case FS_UBIFS:
		fs_state_set("/overlay", FS_STATE_READY);
		break;
	}

	return 0;
}
  • volume_find(“rootfs_data”) 查询分区name为rootfs_data的分区，返回对应的volume对象
  • volume_identify(v) 识别rootfs_data分区的文件系统类型，如果是FS_EXT4 FS_F2FS FS_JFFS2 FS_UBIFS这4种文件系统之一，会设置文件系统状态为FS_STATE_READY，表示overlayfs挂载完成。

参考

核心的進入點: start_kernel()
Linux内核源码分析-安装实际根文件系统- prepare_namespace
内核启动之start_kernel()和rest_init()函数
/dev/root

# linux
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