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Ben W
Asked: 2019-04-05 23:00:57 +0800 CST

可以读取硬盘驱动器并专门写入 RAM 的系统？

  • 772

我希望在正确的地方。我在“网络”上找不到关于我的问题的任何建议。一个操作系统，比方说 linux 的一个发行版，如何从硬盘驱动器加载并执行所有修改（所有应用程序）到 RAM 中？换句话说，我们如何使用操作系统从硬盘读取它需要的数据，然后只将它需要的数据写入 RAM。

目的是确保操作系统（及其执行的所有应用程序）发出的所有“指令”（这可能是错误的词）都专门写入 RAM（不写入硬盘）。

我知道一些 linux 发行版可以完全加载到 RAM 中，但不便的是我们得到的系统的大小：我们不能在 RAM 中为应用程序提供太多可用空间，而普通系统会从驱动器中找到所需的应用程序并加载它进入内存。这可以通过为系统使用额外的 RAM 来完成，但与使用硬盘驱动器保存我们需要的应用程序相比，这不是一个很好的解决方案（因为 RAM 的实际价格）

我还考虑过一个虚拟机，在大多数情况下，它可以读取驱动器以使用应用程序并且只写入 RAM。但它需要从现有的、已加载的操作系统加载虚拟机，所以有没有办法跳过现有的操作系​​统部分？

如果您有任何建议或我必须使用自己搜索的技术术语，谢谢。

hard-drive memory operating-systems

2 个回答

  1. 这是可能的，但并非微不足道。我会给你一些指示，但我不能真正提供详细的步骤，因为我自己从未尝试过。

    • OverlayFS - 它允许您创建一个“分层”文件系统，其中下层是只读的，上层是可写的。也就是说，下层仍然是完全可变的（您可以编辑、删除文件等，但它们并没有真正改变——更改完全存储在上层）并且像一个完整的文件系统一样工作。

    • tmpfs - 这是另一个完全驻留在内存中的成熟文件系统。您可以将容量设置为低于 RAM 的数量，以防止意外阻塞操作系统。此外，未使用的容量可用作常规 RAM，这很好。

    • pivot_root/ - 移动到不同目录的系统调用。

    通常在引导过程的早期调用pivot_root以从早期用户空间切换到磁盘文件系统。您可以更改此设置：创建 OverlayFS，在下层使用磁盘文件系统，在上层使用 tmpfs，然后将 pivot_root 添加到 OverlayFS。

    请注意，上层可以增长得相当快，消耗大量可用 RAM。zram 可用于以 CPU 使用为代价减少 RAM 使用，但这不是最终解决方案。永久更新磁盘操作系统也很棘手。

    • 1
  2. Best Answer

    我将对这个主题进行一些扩展，以帮助我开始时的初学者。

    引导过程

    第一个硬盘驱动器通常分为 2 个部分：

    1. 一个用于启动过程（启动时计算机读取的部分）/dev/sda1在大多数 Linux 发行版下通常称为
    2. 一个用于所有其他的东西（比如系统和用户文件） named /dev/sdb1。（系统和用户文件可以在不同的部分）

    在引导扇区上有一个内核映像，它实际上是一个initramfs映像。intramfs 是加载到 RAM 中的“最小”功能系统。它可以被看作是你的 linux 系统的一个小版本：你会发现模块，一些你在你习惯的系统上看到但内容不同的目录。那个小型 linux 系统用于查看您的计算机配置（您使用什么类型的存储设备，您的组件是什么，等等）以加载将由您的真实系统使用的正确模块，并找出您的存储设备上的哪个位置是您的真实的系统文件，以便以后可以访问。换句话说，当您启动计算机时，它会读取/dev/sda1分区并尝试找到分区/dev/sdb1以备后用。但是要了解如何访问您的文件，您需要了解挂载点

    挂载点

    在 linux 下，所有目录都可以在一个名为root的目录下访问，即/. 不要将根用户存储/root与文件系统的根混合/。当您插入外部存储设备（如 USB 驱动器）时，您的系统将创建一个新目录并将其用作该设备的根目录。换句话说，在该目录下，您可以访问存储在其中的所有文件。该目录称为挂载点。要创建挂载点，您需要有一个设备（例如 USB）、一个目录和一个文件系统（用作用户空间程序和设备物理内存之间接口的程序），然后使用以下命令：

    mount -t name_filesystem name_device name_directory

    从技术上讲，当您插入某些东西时，您需要手动安装设备。但是当你插入一个普通设备（比如 USB）时，linux 会自动执行它。由于文件 file/etc/fstab包含安装它们所需的所有信息（例如硬盘驱动器的分区，CD-ROM 阅读器，......），因此在启动期间会自动安装计算机的所有内部设备 查看所有其他安装点你可以看到当前被系统使用/proc/mounts

    在启动时挂载根文件系统

    回到启动过程，当 initramfs 映像加载到内存中时，它会检查硬盘驱动器的哪个分区用于存储文件（如/dev/sdb1）并将其挂载在通常称为/root. 这/root与/root您的用户空间下的不同（当您的系统完全加载时）。在此之下，/root您将可以访问所有文件，并且/root您知道：

    /root <--- initramfs
   /home
      /myName
        ... all my files
   /root <--- super user

    根文件系统在引导期间以只读方式挂载，然后通过虚拟文件系统以读写方式重新挂载（这只是处理不同设备的一种方式，因此与每个设备相关的不同文件系统，对用户空间中的程序使用相同的命令)

    Initrd 与 Initramfs

    initramfs 是 initrd 的后继者，它使用所有需要的工具加载到内存中，然后挂载真正的文件系统，最后从内存中卸载自己。但是initramfs 保留在内存中，所有系统都基于 initramfs 挂载的根文件系统。这种差异也意味着不同的命令（例如 pivot_root成为switch_root）

    编辑 initramfs

    可以在系统内编辑用于引导过程的内核映像。该图像存储在/boot. 您可以通过解压缩来编辑它。您要编辑的过程是init图像的过程（这是执行的第一个脚本），并且恰好是挂载真实文件系统时的部分/root，如下所示：

    log_begin_msg "Mounting root file system"
# Always load local and nfs (since these might be needed for /etc or
# /usr, irrespective of the boot script used to mount the rootfs).
. /scripts/local
. /scripts/nfs
. /scripts/${BOOT}
parse_numeric ${ROOT}
maybe_break mountroot
mount_top
mount_premount
mountroot

    请注意，${ROOT}其中包含用于您的系统文件的设备名称（例如/dev/sdb1，但可以不同）

    但这是一个混乱的解决方案，因为当您的系统更新图像时（出于某些原因）您的修改将会丢失。但是 linux 有一个解决方案可以将您的修改保留在所有内核映像中，即使在更新之后也是如此：initramfs-tools。您必须进行的所有修改都将在下面完成/etc/initramfs-tools 然后在您编辑图像后使用以下命令更新内核图像：

    update-initramfs -u

    该图像将在下次重新启动后使用。因此，为避免系统崩溃，请使用虚拟机作为virtualBox或

    构建完成后，您需要将新内核与旧内核一起安装，并配置引导加载程序以使内核在启动时可选择。这样即使出现严重错误，您仍然可以使用现有内核启动系统。

    覆盖

    要覆盖现有目录，请使用：

    mount -t overlay -o lowerdir=/overlay/lower,upperdir=/overlay/upper,workdir=/overlay/work overlay /myDir

    请注意，两者之间绝对没有空格lowerdir=..,upperdir=...,workdir=... ，最后一个overlay可以替换为none（因为您什么都不安装，没有设备/myDir；您只需安装overlay）。当你做坏事时（如果目录不存在或者你在安装选项中放置空格，-o ...结果将是“下面没有这样的设备/etc/fstab”（覆盖在安装过程中管理非常错误）。你可以看看那个链接和那个寻求更多帮助的人。

    在/myDir下面你会看到所有文件/overlay/lower和你所做的所有修改（存储在/overlay/upper）：

    /overlay/lower      /overlay/upper          /myDir (mountpoint)
   /file1  ---------->  /file1   --------->   /file1
      'abcdef'            'abOdef'               'abOdef'
   /file2 -------------------------------->   /file2

    tmpfs

    tmpfs 是一个文件系统，可以将 RAM 作为标准内存进行操作。要创建一个 ram-disk（一块 RAM，就像一块硬盘驱动器）使用：

    mount -t tmpfs none /myDir
           or
mount -t tmpfs tmpfs /myDir

    然后所做的所有操作/myDir将被保存到RAM中。

    解决方案

    模块

    将 overlay 模块添加到内核映像（以便在引导过程中可以使用该模块）。添加overlay到文件中/etc/initramfs-tools/modules

    挂钩

    将以下脚本添加到/etc/initramfs-tools/hooks（作为可执行文件）

    #!/bin/sh

#set kernel functions file as sources (so these functions can be used)
. /usr/share/initramfs-tools/scripts/functions
. /usr/share/initramfs-tools/hook-functions

#If you want to use a custom package into the initramfs use 
#copy_exec path_to_package
#For example if you want to use whiptail add : copy_exec /usr/bin/whiptail

    脚本

    将以下脚本添加到/etc/initramfs-tools/scripts/init-bottom（作为可执行文件）

    #!/bin/sh

PREREQ=""
prereqs()
{
   echo "$PREREQ"
}

case $1 in
prereqs)
   prereqs
   exit 0
   ;;
esac

DIR=/overlay
UPPER_DIR=$DIR/upper
LOWER_DIR=$DIR/lower
WORK_DIR=$DIR/work

mkdir $DIR
#create temporary filesystem in RAM
mount -t tmpfs tmpfs $DIR
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail_err "Fail to mount tmpfs on $DIR"
    exit 1
fi

#create lower, upper and workdir for overlay
mkdir $UPPER_DIR $LOWER_DIR $WORK_DIR

# move root mountpoint to the lower layer
mount -n -o move ${rootmnt} $LOWER_DIR
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail_err "Cannot move ${rootmnt} to $LOWER_DIR"
    exit 1
fi

#mount overlay on to the root
mount -t overlay -o lowerdir=$LOWER_DIR,upperdir=$UPPER_DIR,workdir=$WORK_DIR overlay ${rootmnt}
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail_err "Cannot mount overlay on ${rootmnt} [lowerdir=$LOWER_DIR, upperdir=$UPPER_DIR, workdir=$WORK_DIR]"
    exit 1
fi

#mount virtual filesystem over the lower dir (as it's donne for the root with /proc and /sysfs which are mounted on to the root at the end of the init)

#uncomment that section if you want to access the layers of overlay whithin userspace
#mkdir -p ${rootmnt}$DIR
#mount -n -o rbind $DIR ${rootmnt}$DIR
#if [ $? -ne 0 ]; then
#    fail_err "Cannot remount ${rootmnt} and its sub mountpoints on ${rootmnt}$DIR"
#    exit 1
#fi

# edit fstab to match the actual modifications

#get the device that is mounted on the rootfilesystem
root_device="$(awk '$2 == "/" {print $0}' ${rootmnt}/etc/fstab)"
#check if that device exists
blkid $root_device
if [ ! $? -gt 0 ]; then
    target=${rootmnt}/etc/fstab
    target_c=$target.orig
    #create a copy of the file (that will be accessible later)
    cp $target $target_c
    #remove the root device from the file
    grep -v "$root_device" $target_c > $target

    #add overlay on root as a device in the file
    awk '$2 == "'${rootmnt}'" { $2 = "/" ; print $0}' /etc/mtab >> $target
fi

    更新

    使用以下命令更新内核映像：update-initramfs -u

    在根文件系统上挂载覆盖的链接

    使用只读挂载的根分区解决 raspbian SD 卡损坏问题

    自定义初始化文件

    在 pivot_root 之后无法卸载

    将 root 挂载为 overlayfs

    无法在 initrd 内挂载 overlayfs

    如何使用 OverlayFS 保护根文件系统？

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