Linux 找到根文件系统之后：initramfs 怎样把 PID 1 叫醒？

上一篇里，U-Boot 把内核、设备树和可能存在的 initramfs 放进内存，再把控制权交给 Linux。现在内核已经开始运行，也逐渐认识了处理器、内存和设备。但屏幕还没有登录框，网络服务也没开始：内核不是整套 Linux 系统，它还要找到真正的系统文件，并启动第一个普通程序。

可以把内核想成刚拿到房屋说明书的维修队长。他认识电线和水管，也能控制工具；但家里还没有开门营业，桌上没有电话簿，工作人员也还没到齐。根文件系统是整间店的货架和房间，PID 1 则像第一位正式到岗、负责叫醒其他工作人员的值班经理。

根文件系统里的“根”是什么？

Linux 把文件和设备整理成一棵目录树。最上面的目录叫根目录，写作 /。系统的程序、配置、设备节点和用户文件，都从这个入口往下排列。内核需要找到一套包含可运行程序、配置和必要文件的文件系统，把它挂到 /，之后程序才能按熟悉的路径找到东西。

这套文件通常在硬盘、固态硬盘、闪存或网络服务器上。固件和启动程序已经把内核送进来了，但内核未必马上会用这块存储：它可能还缺少磁盘控制器驱动、文件系统驱动、解密工具，或者需要先组装 RAID、启用 LVM。

启动参数里常会看到 root=，它说明正式根文件系统在哪儿。例如它可以指向某个设备、分区标识，或网络根文件系统。对没有早期用户空间的简单系统，内核可以按这个信息直接尝试挂载根目录；用了 initramfs 时，早期脚本也常读取同一条启动命令行来找根设备。

为什么要先启动一个临时小系统？

如果内核一开始就找不到硬盘，系统就无法从硬盘读出帮助它找硬盘的驱动和工具。这像钥匙锁在屋里，而开门钥匙也在屋里。

initramfs 就是解决这个绕圈问题的临时工具箱。它会提前放进内存，里面装有早期启动需要的程序和模块。内核先从工具箱运行 /init，由它加载驱动、等待硬盘、解锁加密分区、组装存储阵列，再找到正式系统。

不同 Linux 发行版装进 initramfs 的东西不一样。桌面发行版要照顾很多硬盘、文件系统和加密配置；精简开发板可能只需要几个驱动和一段小脚本；固定用途的设备也可能完全不用 initramfs，直接从闪存启动系统。

initramfs 到底是什么？

名字里的 ram 表示内存，fs 表示文件系统。initramfs 通常是一个 cpio 格式的文件归档，有时还会经过 gzip 等方式压缩。启动程序把它作为内存里的启动资料交给内核；内核把里面的目录和文件展开到自己的临时根文件系统 rootfs 中。

它看起来像一个小型 Linux 根目录，里面可以有 /init、/bin、/sbin、/lib 和设备工具。它并不是另一个完整、长期使用的 Linux 安装，而是开机早期借来用的工作台。完成交接后，系统通常会改用硬盘或闪存上的正式根文件系统。

旧资料还常说 initrd。它是较早一类内存启动盘机制，内核把一个文件系统映像当成 RAM 磁盘来挂载。现代常见的 initramfs 是 cpio 文件被展开到内核准备好的 rootfs，两者历史和内部做法不同；但很多启动工具、文件名和日常说法仍沿用 initrd 这个旧名字。

initramfs 像开门前摆在门口的工具箱：先帮内核找到真正的家，工作完成后再把工具箱让到一旁。

/init：临时系统里的第一位值班员

当内核展开了 initramfs，如果里面有 /init，就会尝试执行它。这个 /init 是用户空间程序，不是内核函数；它可能是 shell 脚本，也可能是一个小型二进制程序。程序虽然很小，却已经能调用内核提供的文件、设备和进程服务。

在主系统的 PID 命名空间里，内核创建的第一个普通用户程序会拿到进程号 1。进程号简称 PID，所以临时系统里的 /init 通常一开始就是 PID 1。这个号码不是它在 Linux 历史里的排名，而是内核分配给进程的一张特殊工牌。

/init 可能先挂载 /proc、/sys、/dev 等早期要用的目录，寻找并加载设备模块，扫描启动参数，等待存储设备出现，再处理加密、RAID 或 LVM。它也可能在屏幕上显示进度或错误提示。哪些步骤存在，取决于设备和发行版。

临时工具箱怎样找到真正的根？

假设 U-Boot 和设备树已经让内核知道存储控制器在哪里。内核里的驱动让系统能够读取 SATA、NVMe、eMMC 或 SD 卡；initramfs 里的程序随后根据 root= 参数或发行版配置，判断哪个分区才是根文件系统。

如果根分区经过加密，早期程序要先打开它；如果使用软件 RAID，就要先把几块盘组合起来；如果根文件系统在 LVM 逻辑卷里，还得先激活对应卷组。接着系统挂载根文件系统，并检查里面是否确实有 /sbin/init 等后续程序。

可以把这个过程想成：先用备用发电机照亮仓库，再找到正式配电箱；检查主电路能用之后，切换到正常电源。临时系统替正式系统完成准备，但不负责长期维持整台机器。

switch_root：把正式系统接到 / 上

正式根文件系统准备好后，initramfs 里的 /init 要把它变成系统新的 /。常见工具叫 switch_root。它会处理旧临时根目录、把新根接到正确位置，然后启动正式系统里的 init 程序。

这里有个名字上的小坑：initramfs 使用的是内核提供的 rootfs，不能简单照搬旧 initrd 的 pivot_root 流程。常见 switch_root 会清理临时根里的内容、切换到挂载好的新根，再用 exec 执行新的 init。不同早期用户空间的实现细节不同，但读者只要先记住结果：文件路径从这时起指向硬盘或闪存上的正式系统。

exec 可以理解成“让当前进程换一套程序继续工作”。在常见的交接方式中，临时 /init 用 exec 启动正式 init，因此它的 PID 仍然是 1；不是新开一个 PID 1 和旧 PID 1 并排生活。内核最初交给这个位置的责任，一直留在同一个进程身上。

PID 1 为什么这么特别？

PID 1 是用户空间最早启动、责任也很重的进程。其他程序结束时，它们的退出状态需要被收拾；父进程提前退出后留下的孤儿进程，也需要有人接管和回收。PID 1 还要处理系统关机、重启和服务管理等工作。

如果 PID 1 很早就失败，系统通常没有另一个普通程序可以接手，内核可能报错并停止启动。因此，正式 init 不只是“第一个被打开的软件”，更是整个用户空间的管理者。容器如果使用独立 PID 命名空间，也会在自己的命名空间里有一个 PID 1；这里讨论的是整台电脑主系统里的 PID 1。

正式 init：叫醒服务，让系统能用

正式 init 通常位于 /sbin/init。如今很多发行版里，这个名字会指向 systemd；也有系统使用 BusyBox init、OpenRC、SysV init 等其他实现。名字和内部安排可以不同，它们都要把内核提供的基础能力变成可供人使用的系统。

systemd 作为 PID 1 时，会读取自己的单元配置和依赖关系，安排挂载文件系统、启动设备管理、日志、网络、时间服务、登录终端等工作。相互没有依赖的工作有时可以并行进行，所以现代 Linux 启动更像按依赖清单安排工作，而不是所有服务严格排成一列逐个等候。

服务器可能启动到命令行登录提示；桌面电脑还会启动图形登录管理器；路由器会拉起网络、DHCP 和管理界面。终端里的 getty 或桌面登录程序准备好之后，人就能输入密码登录。到这里，内核的开机接力终于变成了眼前可用的 Linux。

PID 1 的“1”和运行级别 1 不是一回事

PID 1 是进程编号：指出哪个进程承担系统初始化和管理任务。传统 SysV init 的运行级别 1 则是一种系统运行状态，常用于单用户维护模式。一个说的是“谁在做事”，另一个说的是“系统此刻以哪种服务组合运行”，不要因为都带数字 1 就把它们当成同一件事。

使用 systemd 的系统通常用 target 表达一组启动目标，例如 multi-user.target 常代表多用户命令行环境，graphical.target 通常代表带图形登录的环境。systemd 仍能提供对传统运行级别名称的兼容，所以在资料里也可能看到 runlevel 1、3 或 5。

不使用 initramfs 的电脑怎样启动？

initramfs 很有用，但不是每台电脑都必须有。如果内核已经内置了存储控制器和文件系统驱动，可以直接根据 root= 找到根文件系统，再从里面启动 init。固定硬件的嵌入式系统常会尽量走这条更短的路线。

命令行里的 rdinit= 可以指定 initramfs 中要执行的早期程序，默认通常是 /init；init= 则可以要求内核在正式根文件系统上启动另一个程序，代替通常的 /sbin/init。它们属于排查或特殊启动场景会遇到的选项，平时不必改动。

把从电源到登录的接力画完整

一台常见 Linux 开发板固件 → U-Boot
  ↓ 加载内核、DTB 和可选 initramfs
Linux 内核认识硬件并准备内存
  ↓ 执行 initramfs 中的 /init（如果有）
加载驱动、解锁磁盘、找到正式根文件系统
  ↓ switch_root，并 exec 正式 init
PID 1（常见为 systemd）启动系统服务
  ↓
命令行登录、桌面登录或设备管理界面

如果开机提示“找不到根文件系统”，接力可能停在内核或 initramfs 找存储这一步；如果报 /init 找不到，可能是临时系统里缺了早期入口；如果提示没有可用的 init，则可能是正式根文件系统里没有能运行的初始化程序。错误文字不能单独替代检查，但它能告诉我们接力大概停在什么位置。

一路从 U-Boot、设备树、Linux 内核走到 initramfs，再走到 PID 1，我们终于看见了开机为何不是一个按钮按下去就立刻出现桌面，而是一层层把责任交给更完整的程序。PID 1 拉起服务之后，硬件、文件、网络和登录入口才被组织成我们熟悉的操作系统。

至此，这段“从电源到可用系统”的主线先走完了。接下来可以继续往更早处追问：晶体管如何组成逻辑门，逻辑门怎样装进集成电路，微处理器又怎样执行第一条指令。这样我们就能把开机故事和更长的计算机技术史接在一起。