Linux内核编译初尝试

为什么需要切换Linux内核为自定义参数版本

Linux内核是操作系统的核心，也是操作系统最基本的部分。Linux内核的体积结构是单内核的、但是他充分采用了微内核的设计思想、使得虽然是单内核、但工作在模块化的方式下、并且这个模块可以动态装载或卸载；Linux负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。如是我们在了解Linux内核的基础上根据自己的需要量身定制一个更高效，更稳定的内核，就需要我们手动去编译和配置内核里的各项相关的参数和信息了。

我的需求则是为了测试某个特定版本内核的性能，因此需要切换内核的版本。

我们有两个方法可以做到这点：

• 基于qemu的模拟
• 切换当前机器的内核版本

通过第一点我们可以运行起来一个简易的操作系统内核，但是它缺乏常见的库与程序，例如ls, pwd等的实现，尽管使用busybox可以帮助我们安装一些常用的库，但其在可用性上来说还是非常不足的。例如，用户无法自由地使用apt-get等包管理工具。

我们也可以彻底地更换当前机器上的内核版本，但这样可能会导致各种兼容问题，具有一定风险，在尝试之前务必备份重要文件。

Linux内核编译

下载源码

不建议通过git clone的方式从github下载Linux的源代码，文件很大，可能因为网络问题而失败，可以从一下网站下载自己需要的版本：

• Index of /sites/ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/ (sjtu.edu.cn)

• kernel/git/torvalds/linux.git - Linux kernel source tree

我选择的6.2版本，可执行如下命令：

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wget https://ftp.sjtu.edu.cn/sites/ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.2.tar.gz

安装编译所需模块

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sudo apt-get install bison flex qemu bc build-essential gcc g++ libelf-dev libssl-dev

另外注意，在之后的编译过程中可能会出现问题，例如can’t inlcude xxx，这个时候查找对应报错并且install对应的库即可

编译

下载成功后解压，进入目录：

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cd linux-6.2

开始编译

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sudo make -j16       #这一步耗时最长，-j 表示多线程编译，可加快速度，具体数字视机器而定
sudo make bzImage   # 编译内核，成功后会得到 arch/x86/boot/bzImage, 是压缩后的镜像
sudo make modules_install  #编译模块

其中在第三步，可能会出现报错：

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update-initramfs: Generating /boot/initrd.img-6.2
Error 24 : Write error : cannot write compressed block
E: mkinitramfs failure cpio 141 lz4 -9 -l 24
update-initramfs: failed for /boot/initrd.img-6.2 with 1.

原因是用来安装的boot目录没空间了，但是我们查看之后会发现空间依然充足，这其实编译过程中引入了大量不必要的内容，经过查找，可以使用如下命令：

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sudo make INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install -j4

接下来需要安装内核到对应目录

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sudo make install -j16

验证安装

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cd /boot
ls

应该可以看到新安装的内核版本号相关的文件

切换版本

通过命令查看当前Linux内核版本

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uname -r

首先使用命令查找新内核，更新grub文件

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sudo update grub

cd到/boot/grub修改grub.cfg

修改原文件：注释 set timeout_style = hidden， 修改timeout的值为10

重启机器，就会自动弹出选择Linux内核的界面了。

需要注意的是，如果修改的是服务器的配置，重启时由于grub界面会出现在内核加载之前，我们是无法通过ssh连接到服务器进行选择的，不过根据我的经验会自动选择一个版本，且为最新的（未进行过实验）。

通过QEMU来启动编译好的Kernel

以上我们演示了如何在本机上切换kernel版本，但如果我们只是想研究kernel的某个性质则不需要如此大费周折，QEMU为我们提供了系统虚拟化的机制。

另外，之前所述的所有部署流程均可以在容器中进行，这样做的好处是

• host无需安装大量的依赖，例如qemu
• 编译过程中出现不可逆损伤后可以快速remake

我们接下来的讨论是基于之前的操作均在容器中进行的来展开讨论，至于容器镜像的选择，使用ubuntu即可。

但需要注意的是，容器启动时必须器授予特权，否则后续的mount将无法进行

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docker run -it --privileged=true ubuntu:latest bash

安装qemu

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sudo apt-get install qemu

开始模拟

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qemu-system-x86_64 -m 512M -smp 4 -kernel ./bzImage

很快直接失败，出现了图形化界面使用错误，这里可以尝试在qemu指令后加上--curses

在启动编译后的压缩内核时，出现无法找到文件系统的错误：

为此，需要创建磁盘镜像，制作根文件系统，且准备init程序才能启动编译后的内核，简单的做法是基于busybox构建启动程序。

编译Busybox

下载busybox压缩包之后解压，进入目录，执行以下命令：

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make defconfig
make memuconfig
make
make CONFIG_PREFIX=<path_to_disk_img_mount_point> install

在memuconfig编译完成后会进入图形化界面，此时选择

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Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

从而将Busybox编译为静态文件，编译完成并安装后，查看<path_to_disk_img_mount_point>目录，可以看到多了很多文件，此外，还需要创建额外的文件，包括rcS，inittab，proc，sys，dev等，具体可以参考博客。

以下是直接可用的脚本，需要修改相应的路径。

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#!/bin/sh
 
# note: Linux kernel and busybox are in the same directory
path_to_Linux_kernel=linux-4.18
path_to_busybox=busybox-1.30.0
path_to_root=`pwd`
 
cd $path_to_Linux_kernel
#make clean
#make distclean
#make x86_64_defconfig
#make bzImage
#make modules
 
# obtain the bzImage
cp arch/x86/boot/bzImage $path_to_root
 
# create disk by type ext4
cd $path_to_root
if [ -d img ]; then
    umount img
    rm -rf img
fi
 
if [ -e disk.raw ]; then
    rm disk.raw
fi
 
qemu-img create -f raw disk.raw 512M
mkfs -t ext4 disk.raw
 
mkdir img
sudo mount -o loop disk.raw img  # note that, docker run --privileged=true
 
# install modules and init program
cd $path_to_Linux_kernel
sudo make modules_install INSTALL_MOD_PATH=../img
 
cd $path_to_root/$path_to_busybox
if [ -e busybox ]; then
    make CONFIG_PREFIX=../img install
else
    echo "Busybox is not built yet. Please build the busybox first!"
    exit 2
fi
 
# update the init program
cd $path_to_root/img
 
mkdir -p etc/init.d
mkdir proc
mkdir sys
mkdir dev
 
touch etc/init.d/rcS
echo "#/bin/sh" > etc/init.d/rcS
echo "mount -t proc proc /proc" >> etc/init.d/rcS
echo "mount -t sysfs sysfs /sys" >> etc/init.d/rcS
chmod +777 etc/init.d/rcS
 
# start the bzImage
cd $path_to_root
qemu-system-x86_64 -curses -m 512M -smp 4 -kernel bzImage -drive format=raw,file=disk.raw -append "init=/linuxrc root=/dev/sda"

最后，在docker容器中的ubuntu就可以启动qemu了。

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qemu-system-x86_64 -curses -m 512M -smp 2 -kernel bzImage -drive format=raw,file=disk.raw -append "init=/linuxrc root=/dev/sda"

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