为什么需要initramfs
在Linux内核被加载到内存并运行后，内核进程最终需要切换到用户的进程来使用计算机，而用户进程又存在于外存储设备上，比如systemd进程，通常systemd进程所在的存储设备也是Linux真正的根文件系统所在的位置，我们知道内核源码是没有包含驱动程序的，驱动程序在外存储设备上，那么问题来了，要切换到systemd进程（system deamon），就需要外存储的驱动，但是没有驱动又没办法访问外存储。
为了解决上述问题，内核开发者们设计了initramfs机制。initramfs是一个临时的文件系统，其中包含了必要的设备如硬盘、网卡、文件系统等的驱动以及加载驱动的工具及其运行环境，比如基本的C库，动态库的链接加载器等等。同时，那些处理根文件系统在RAID、网络设备上的程序也存放在initramfs中。由第三方程序（如Bootloader）负责将initramfs从硬盘装载进内存。
以驱动硬盘为例，内核就不必再从硬盘，而是从已经加载到内存的initramfs中获取硬盘控制器等相关驱动了，继而可以驱动硬盘，访问硬盘上的根文件系统，从而解决了前面提到的鸡和蛋的矛盾。在初始化的最后，内核运行initramfs中的init程序，该程序将探测硬件设备、加载驱动，挂载真正的文件系统，执行文件系统上的/sbin/init，进而切换到真正的用户空间。真正的文件系统挂载后，initramfs即完成了使命，其占用的内存也会被释放。
在initramfs之前，也就是在2.4以及更早版本的内核中，内核使用的是initrd。initrd是基于ramdisk技术的，而ramdisk就是一个基于内存的块设备，因此initrd也具有块设备的一切属性。比如initrd容量是固定的，一旦创建initrd时设定了一个大小，就不能再进行动态调整。而且，如同块设备一样，initrd 需要按照一定的文件系统格式进行组织，因此制作initrd时需要使用如mke2fs这样的工具“格式化”initrd，访问initrd时需要通过文件系统驱动。更重要的是，虽然initrd是一个伪块设备，但是从内核的角度看，其与真实的块设备并无区别，因此，内核访问initrd也需使用缓存机制，显然这是多此一举的，因为本身initrd就在内存中。
鉴于ramdisk机制的种种限制，Linus Torvalds提出了一个想法：能否将cache当作一个文件系统直接挂载使用？基于这个想法，Linus Torvalds基于已有的缓存机制实现了ramfs。ramfs与ramdisk有着本质的区别，ramdisk本质上是基于内存的一个块设备，而ramfs是基于缓存的一个文件系统。因此，ramfs去除了前述块设备的一些限制。比如，ramfs根据其中包含的文件大小可自由伸缩；增加文件时，自动分配内存；删除文件时，自动释放内存。更重要的是，ramfs是基于已有的缓存机制，因此不必再像ramdisk那样需要和缓存之间进行多余的复制一环。
伴随着ramfs的出现，从2.6开始，内核开发人员基于ramfs开发了initramfs替代initrd。当2.6版本的内核引导时，在挂载真正的根文件系统之前，首先将挂载一个名为rootfs的文件系统，并将rootfs的根作为虚拟文件系统目录树的总根。那么为什么要使用rootfs这么一个中间过程呢？原因之一还是为了解决鸡和蛋的问题。内核需要根文件系统上的驱动以及程序来驱动和挂载根文件系统，但是这些驱动和程序有可能没有编译进内核，而在根文件系统上。如果不借助第三方，内核是没有办法挂载真正的根文件系统的。而rootfs虽然名称为rootfs，但是并不是什么新的文件系统，事实上，rootfs就是一个ramfs，只不过换了一个名称。换句话说，rootfs是在内存中的，内核不需要特殊的驱动就可以挂载rootfs，所以内核使用rootfs作为一个过渡的桥梁。在挂载了rootfs后，内核将Bootloader加载到内存中的initramfs中打包的文件解压到rootfs中，而这些文件中包含了驱动以及挂载真正的根文件系统的工具，内核通过加载这些驱动、使用这些工具，实现了挂载真正的根文件系统。
Ramfs 是什么
Ramfs 是一个非常简单的文件系统，它将 Linux 的磁盘缓存机制（页缓存和目录项缓存）作为动态可调整大小的基于 RAM 的文件系统来导出。通常，所有文件都由 Linux 缓存在内存中。从后备存储（通常是文件系统挂载的块设备）读取的数据页面会保留在内存中，以防再次需要，但被标记为干净（可释放）以防虚拟内存系统需要内存用于其他目的。类似地，写入文件的数据在写入后备存储后被标记为干净，但出于缓存目的而保留，直到虚拟内存重新分配内存。一个类似的机制（目录项缓存）极大地加速了对目录的访问。
使用 ramfs 时，没有后备存储。写入 ramfs 的文件通常会分配目录项和页缓存，但没有地方可以写入。这意味着页面永远不会被标记为干净，因此当虚拟内存在寻找回收内存时，它们不能被释放。
实现 ramfs 所需的代码量非常小， ramfs的代码位于/fs/ramfs/目录下，因为所有工作都由现有的 Linux 缓存基础设施完成。基本上，你是将磁盘缓存作为文件系统挂载。因此，ramfs 不是一个可选组件，不能通过 menuconfig 移除，因为空间节省可以忽略不计。
Ramfs 和 ramdisk：
谈到ramfs就不得不提一下ramdisk，ramdisk作为旧的 "ram 盘" 机制通过将 RAM 区域创建为合成块设备，并将其作为文件系统的后备存储。这个块设备的大小是固定的，因此挂载在其上的文件系统的大小也是固定的。使用 ram 盘还需要不必要地将内存从假块设备复制到页缓存（并将更改复制回），以及创建和销毁目录项。它还需要一个文件系统驱动程序（如 ext2）来格式化和解释这些数据。
在使用 ramdisk 时，数据会被复制到一个模拟的块设备中，然后再从这个块设备复制到操作系统的页缓存中。这个过程不仅增加了内存的使用量，还增加了 CPU 的工作量，因为需要执行额外的数据复制操作。此外，频繁的数据复制操作还可能干扰 CPU 缓存的正常工作，导致缓存效率降低。
具体来说，当操作系统访问文件系统中的数据时，数据通常会被加载到内存中的页缓存里，以便于快速访问。如果使用 ramdisk，数据首先被存储在一个模拟的块设备上，这个块设备实际上是内存中的一块区域。当需要访问这些数据时，操作系统会先将数据从 ramdisk 的块设备复制到页缓存，然后再从页缓存提供给应用程序或其他系统组件。这个过程涉及到两次数据复制：一次是从 ramdisk 到页缓存，另一次可能是从页缓存回写到 ramdisk，尤其是在数据被修改后需要持久化时。
这种数据复制不仅消耗了额外的内存带宽，还可能因为频繁的复制操作导致 CPU 缓存（CPU Cache）中的其他数据被替换，这些被替换的数据可能更频繁地被访问，因此 ramdisk 机制会降低缓存的效率，这就是所谓的“污染缓存”。相比之下，ramfs 和 tmpfs 直接使用现有的页缓存和目录项缓存，避免了这种额外的数据复制和缓存干扰。
与 ramfs 相比，上述的这些不必要的数据拷贝会浪费内存（和内存总线带宽），浪费CPU资源去做不必要的工作，并且会污染 CPU 缓存。更重要的是，ramfs 所做的所有工作都必须发生，因为所有文件访问都通过页和目录项缓存。但是ramdisk的很多工作是不必要的；另外ramfs 在内部实现也要简单得多。
什么是 initramfs？
所有 2.6 Linux 内核都包含一个 gzip 压缩的 "cpio" 格式归档文件，当内核启动时，将其解压到 rootfs 中。解压后，内核会检查 rootfs 是否包含 "init" 文件，如果是，它将作为 PID 1 执行它。如果找到了，这个 init 进程负责将系统启动到其余部分，包括定位和挂载真实的根设备（如果有）。如果解压后的内置 cpio 归档文件后 rootfs 不包含 init 程序，内核将回退到旧代码来定位和挂载根分区，然后在其中执行某种变体的 /sbin/init。initramfs与 initrd 在几个方面有所不同：
1)initrd 总是一个单独的文件，而 initramfs 归档文件链接到 Linux 内核映像中。
- initrd 文件是一个 gzip 压缩的文件系统映像（在某些文件格式中，例如 ext2，需要内核内置的驱动程序），而新的 initramfs 归档是一个 gzip 压缩的 cpio 归档（像 tar 但更简单）。内核的 cpio 提取代码不仅非常小，而且还是 __init 文本和数据，在启动过程中可以丢弃。
- initrd 运行的程序（称为 /initrd，而不是 /init）会做一些设置，然后返回到内核，而 initramfs 中的 init 程序不期望返回到内核。（如果 /init 需要移交控制权，它可以覆盖 / 与一个新的根设备，并执行另一个 init 程序）。
3)当切换另一个根设备时，initrd 会 pivot_root 然后卸载 ramdisk。但是 initramfs 是 rootfs：你既不能 pivot_root rootfs，也不能卸载它。相反，删除 rootfs 中的所有内容以释放空间，用新根覆盖 rootfs，将标准输入/输出/错误附加到新的 /dev/console，并执行新的 init。
制作 initramfs：
2.6 内核构建过程总是创建一个 gzip 压缩的 cpio 格式 initramfs 归档，并将其链接到生成的内核二进制文件中。默认情况下，这个归档是空的（在 x86 上占用 134 字节）。
配置选项 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE（在 menuconfig 的常规设置中，位于 usr/Kconfig 中）可以用来指定 initramfs 归档的源，它将自动合并到生成的二进制文件中。此选项可以指向一个现有的 gzip 压缩的 cpio 归档，一个包含要归档的文件的目录，或者像以下示例这样的文本文件规范：
dir /dev 755 0 0
nod /dev/console 644 0 0 c 5 1
nod /dev/loop0 644 0 0 b 7 0
dir /bin 755 1000 1000
slink /bin/sh busybox 777 0 0
file /bin/busybox initramfs/busybox 755 0 0
dir /proc 755 0 0
dir /sys 755 0 0
dir /mnt 755 0 0
file /init initramfs/init.sh 755 0 0
运行 "usr/gen_init_cpio"（在内核构建后）以获取使用上述文件格式的用法消息。配置文件的一个优点是不需要 root 访问权限就可以在新归档中设置权限或创建设备节点。
内核不依赖外部 cpio 工具。如果您指定一个目录而不是配置文件，内核的构建基础设施将从该目录创建配置文件（usr/Makefile 调用 usr/gen_initramfs.sh），然后使用该配置文件打包该目录（通过将其输入到 usr/gen_init_cpio，它是由 usr/gen_init_cpio.c 创建的）。内核的构建时 cpio 创建代码是完全自包含的，内核的启动时提取器也是（显然）自包含的。你可能需要外部 cpio 实用程序来做的一件事是创建或提取你自己预先准备好的 cpio 文件，以供内核构建使用（而不是配置文件或目录）。
以下命令可以将 cpio 映像提取回其组件文件：
cpio -i -d -H newc -F initramfs_data.cpio --no-absolute-filenames
以下 shell 脚本可以创建一个预先构建的 cpio 归档，你可以用它来代替上面的配置文件：
#!/bin/sh
if [ $#-ne 2 ]
then
echo "usage: mkinitramfs directory imagename.cpio.gz"
exit 1
fi
if [ -d "$1" ]
then
echo "creating $2 from $1"
(cd "$1"; find . | cpio -o -H newc | gzip) > "$2"
else
echo "First argument must be a directory"
exit 1
fi
