tiny linux: 内核精简的根文件系统制作

时间：2022-01-26 02:33:00

tiny linux

tiny_linux要求实现以下两点：

  1. 精简linux内核镜像，要求在支持TCP/IP数据传输的情况下，内核镜像和正常运行所需内存能够做到尽可能的小。

  2. 采用busybox制作根文件系统，利用kernel mode linux补丁，使得busybox运行在内核态。

欢迎访问tiny_linux, 这里有编译好的内核镜像，根文件系统镜像以及相关脚本，供大家使用。

涉及知识点

  • qemu使用
  • linux内核配置，编译
  • 根文件系统制作

在这里记录了我完成该项目的过程，希望对大家有用。

ps：

1. 关于根文件的制作部分，对当初小白的我，非常感谢杨海宇同学的付出，让自己能够快速入门。

2. 内核源码Documentation目录下有关于linux权威的文档，里面也有关于initrd，init的介绍，可以先读读这两个文档，个人感觉很不错。

成果

平台 ：  X86_64
linux:   4.0.4
优化前:　bzImage＝6.5M　内存＝*M
优化后:　bzImage＝726K　内存＝21.6M

目录

Section 1：linux内核镜像文件

背景: Linux内核的启动过程

Linux内核本身的启动又分为压缩内核和非压缩两种。从Linux内核程序的结构上，具有如下的特点：
压缩内核 = 解压缩程序 + 压缩后的内核映像
当压缩内核运行后，将运行一段解压缩程序，得到真正的内核映像，然后跳转到内核映像运行。此时，Linux进入非压缩内核的入口，在非压缩的内核入口中，系统完成各种初始化任务后，跳转到C语言的入口处运行。

这一步主要是通过编译linux内核，获取linux的压缩内核镜像bzImage

  1. 下载linux内核代码

    mkdir tiny_linux
cd tiny_linux
curl https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.0.4.tar.xz | tar xJf -

  2. 编译linux内核

在内核代码根目录的Makefile当中，可以发现有如下文字描述：

背景：Makefile Line 98

# kbuild supports saving output files in a separate directory.

# To locate output files in a separate directory two syntaxes are supported.

# In both cases the working directory must be the root of the kernel src.

# 1) O=

# Use “make O=dir/to/store/output/files/”

利用make O=命令，可以使输出文件与源代码文件分离，这样使得我们能够建立不同的输出文件，每个独立的输出文件都可以有自己的专属配置，这个在后期精简config的过程当中，特别有用。

    cd tiny_linux
    mkdir obj
    cd linux-4.0.4
    make O=../obj/linux_0 x86_64_defconfig

背景：内核默认配置文件
内核为很多平台附带了默认配置文件，保存在arch//configs目录下，其中对应具体的架构，如x86、arm或者mips等。比如，对于x86架构，内核分别提供了32位和64位的配置文件，即i386_defconfig和x86_64_defconfig；对于arm架构，内核提供了如NVIDA的Tegra平台的默认配置tegra_defconfig，Samsung的S5PV210平台的默认配置s5pv210_defconfig等。

在linux_0目录下，执行make menuconfig，就能够对内核进行配置，执行make -jN，可以指定编译过程中使用的线程数，N最好为机器并行支持的最大线程数

cd tiny_linux/obj/linux_0
make -j32 #依自己机器设定

如果编译成功，你将看见如下信息：

Setup is 13932 bytes (padded to 14336 bytes).
System is 6588 kB
CRC 6a1e6d04
Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready  (#1)

而这个bzImage正是我们需要的，此时bzImage大小6.5M

ls -lh arch/x86/boot/bzImage 
-rw-r--r-- 1 root root 6.5M Jun 14 10:28 arch/x86/boot/bzImage

在section 3我将详细讲述，如何精简配置，精简后的配置，可以使bzImage的大小降低到931K。

Section 2：根文件系统镜像文件

背景: 根文件系统
根文件系统首先是一种文件系统，但是相对于普通的文件系统，它的特殊之处在于，它是内核启动时所mount的第一个文件系统，内核代码映像文件保存在根文件系统中，而系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些基本的初始化脚本和服务等加载到内存中去运行。

2.1 构建busybox

BusyBox是一个集成了一百多个最常用linux命令和工具的软件。BusyBox 包含了一些简单的工具，例如ls、cat和echo等等，还包含了一些更大、更复杂的工具，例grep、find、mount以及telnet。有些人将 BusyBox 称为 Linux 工具里的瑞士军刀。简单的说BusyBox就好像是个大工具箱，它集成压缩了 Linux的许多工具和命令，也包含了 Android 系统的自带的shell。

下载busybox源码，进行配置编译

    cd tiny_linux
    curl http://busybox.net/downloads/busybox-1.23.2.tar.bz2 | tar xjf -
    mkdir obj/busybox
    cd busybox-1.23.2
    make O=../obj/busybox defconfig
    cd ../obj/busybox
    make menuconfig

修改配置，使用静态编译，如果不使用静态编译，程序运行期间需要进行动态加载，则需在根文件系统中提供其所需的共享库。

Location:                                                           
-> Busybox Settings                                        
   -> Build Options     
      [*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

使用make进行编译，对于一些机器，可能会报如下的错误：

networking/lib.a(inetd.o): In function `unregister_rpc':
inetd.c:(.text.unregister_rpc+0x17): undefined reference to `pmap_unset'
networking/lib.a(inetd.o): In function `register_rpc':
inetd.c:(.text.register_rpc+0x56): undefined reference to `pmap_unset'
inetd.c:(.text.register_rpc+0x72): undefined reference to `pmap_set'
networking/lib.a(inetd.o): In function `prepare_socket_fd':
inetd.c:(.text.prepare_socket_fd+0x7f): undefined reference to `bindresvport'
collect2: ld returned 1 exit status
make[2]: *** [busybox_unstripped] Error 1
make[1]: *** [_all] Error 2
make: *** [all] Error 2

观察上面的错误，可以发现问题出在inetd.c中有未定义的引用，在网上搜索一下答案，关闭配置当中的inet选项即可忽略该问题

    Location:                 
    -> Networking Utilities 
       [ ] inetd

这时再执行make，就能生成busybox，执行make install生成_install目录

2.2 根文件系统制作

背景: inittab相关知识

init进程是系统中所有进程的父进程，init进程繁衍出完成通常操作所需的子进程，这些操作包括:设置机器名、检查和安装磁盘及文件系统、启动系统日志、配置网络接口并启动网络和邮件服务，启动打印服务等。Solaris中init进程的主要任务是按照inittab文件所提供的信息创建进程，由于进行系统初始化的那些进程都由init创建，所以init进程也称为系统初始化进程。

拷贝busybox/_install中的内容，到ramdisk目录

cd tiny_linux
mkdir obj/ramdisk
cd ramdisk
cp -r ../busybox/_install/* ./

此时ls -l,我们可以看见如下的内容：

total 12
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jun 14 12:32 bin
lrwxrwxrwx 1 root root   11 Jun 14 12:32 linuxrc -> bin/busybox
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jun 14 12:32 sbin
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Jun 14 12:32 usr

是否发现它有点像linux系统的根目录，事实上他们就是一样的，因此我们需要补充上未创建的文件目录

mkdir -pv {etc,proc,sys,dev}

背景: inittab相关知识

init进程是系统中所有进程的父进程，init进程繁衍出完成通常操作所需的子进程，这些操作包括:设置机器名、检查和安装磁盘及文件系统、启动系统日志、配置网络接口并启动网络和邮件服务，启动打印服务等。由于进行系统初始化的那些进程都由init创建，所以init进程也称为系统初始化进程。

创建inittab

cd ramdisk/etc
vim inittab

在inittab进行如下配置：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:-/bin/sh
::restart:/sbin/init
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a -r
::shutdown:/sbin/swapoff -a

创建rcS

cd ramdisk/etc
mkdir init.d
vim rcs

在rcS进行如下配置：

#!/bin/sh
mount proc
mount -o remount,rw /
mount -a

clear                               
echo "Booting Tiny Linux"

为rcS分配执行权限

chmod +x rcS

创建fstab

cd ramdisk/etc
vim fstab

在fstab进行如下配置：

# /etc/fstab
proc            /proc        proc    defaults          0       0
sysfs           /sys         sysfs   defaults          0       0
devtmpfs        /dev         devtmpfs  defaults        0       0

生成ramdisk的镜像文件initramfs.cpio.gz

cd ramdisk
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../obj/initramfs.cpio.gz

到目前为止，我们就可以使用qemu进行模拟运行了

cd tiny_linux/obj
qemu-system-x86_64 -kernel bzImage -initrd initramfs.cpio.gz

其中使用-append "console=ttyS0" -nographic能够让其在在文字模式下进行运行，ctrl+a, x退出qemu。

在虚拟的linux当中，你可以执行大部分常见的命令，比如：ls, top。当然也能创建文件等，不过在你退出qemu的时候，这些改变并不会写回到根文件系统镜像当中，原因很简单，运行的时候，只是将该镜像加载到内存当中运行，而这些所谓的改变，只是针对内存中已加载的根文件系统进行的修改操作，而这些并不会影响保留在磁盘上的内核镜像。

2.3 网络配置及测试

在etc/rcS当中，增加如下配置：

/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1 up
/sbin/route add 127.0.0.1 lo &
ifconfig eth0 up
ip addr add 10.0.2.15/24 dev eth0
ip route add default via 10.0.2.2

通过该配置，就给模拟的linux设置IP地址等,使得tiny_linux与Host OS能够进行通信了。

2.3.1 百度网站测试

Qemu Networking官方说明文档

Note - if you are using the (default) SLiRP user networking, then ping (ICMP) will not work, though TCP and UDP will. Don’t try to use ping to test your QEMU network configuration!

从该文档得知，如果使用qemu默认的网络，将无法使用ping进行网络测试，因此我们采用wget进行网络测试，以百度网页测试为例：

/ # wget www.baidu.com
wget: bad address 'www.baidu.com'

发现无法解析域名，估计是DNS没有设置，为了简便，直接网上搜索百度的IP地址进行测试：202.108.22.5

/ # wget 202.108.22.5
Connecting to 202.108.22.5 (202.108.22.5:80)
index.html      100% |*******************************| 92768   0:00:00 ETA

下载网页成功，为确保下载的是百度搜索的首页，可以使用vi index.html，查看该html文件，你将发现有很多关键字baidu

2.3.2 本机搭建网站测试

由于采用这种方式，并不太直观，我们可以在Host OS中搭建一个http服务器，然后使用相同方式连接

#创建http服务
python2 -m SimpleHTTPServer

#通过8000端口，下载host主机上的文件
wget host_ip:8000/file

到这里，我们已经成功制作了根文件系统内核镜像，并且能够保证网络通信。

Section 3：精简bzImage

在前面两个板块当中，我们分别制作了bzImage以及根文件系统镜像，这个版块，主要讲述我对bzImage精简的过程。在杨海宇同学的文档中，他提供了x86的配置选项，而在使用的过程当中，发现无法启动，因此自己一步步对x86_64_defconfig进行了裁剪。

3.1 编译选项优化

gcc在编译的过程当中，我们知道有O1,O2,O3等优化，能够一定程度的缩减程序最终的大小，因此，第一个想法是，从编译选项上进行优化，那么如何下手呢？最简单暴力的方式，在Makefile当中搜索’-O’选项，查看linux内核编译使用的如何优化的等级，然后你会发现：

ifdef CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE
KBUILD_CFLAGS   += -Os $(call cc-disable-warning,maybe-uninitialized,)
else
KBUILD_CFLAGS   += -O2
endif

原来config当中已经提供了该编译优化选项，在make menuconfig当中搜索一下：optimize

Symbol: CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE [=n]                            
Type  : boolean                                              
Prompt: Optimize for size                                    
Location:                                                    
    (1) -> General setup       
Defined at init/Kconfig:1290

发现默认情况下，该优化选项是关闭的，果断开启这个选项。

3.2 替换压缩方式

内核镜像默认采用gzip的方式进行压缩, 而lzma，XZ是压缩比更加优越的压缩方式，在这里，我们对于解压速度并不特别看重，因此可以选择压缩比最好的XZ，作为内核镜像压缩的方式。

To reduce the kernel image size itself is really important, but with
compression, smaller kernel image size can be gained and the effect is very
obvious, the current available kernel compression support include gzip,
bzip2, lzma, lzo and lately XZ embedded becomes available. To get smallest
size, lzma or XZ embedded may be the best choice, but to consider
decompression speed, lzo may be the choice, the other two are more or less
in-between.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一一 Work on Tiny Linux Kernel

3.3 步步精简config

看着config当中各种各样的选项，想必你与我一样，没有想到linux内核当中竟然有这么多可以配置的选项，而且对这些配置，都没有太多的概念，当时我采用的方式：一个大块大块的关闭，简单来说，在顶层配置当中，有诸如以下的选项：

 Processor type and features  --->
 Power management and ACPI options  --->
 Bus options (PCI etc.)  --->
 Executable file formats / Emulations  --->

稍微理解下表层的含义，关于处理器的配置，电源管理配置，总线配置等，对于感觉能够一定关闭的，通通进行关闭。然后进行编译，测试是否能够启动，能够正确进行网络通信。

最终你会发现，以下是你需要留下的选项，而其余模块的选项，都能通通关闭。

  [*] 64-bit kernel  
  General setup  --->      
  Bus options (PCI etc.)  ---> 
  [*] Networking support  --->
  Device Drivers  --->

接下来就是进一步精简该选项当中的配置，围绕着网络驱动，TCP/IP通信支持，能够在网络设置、驱动设置当中去掉绝大部分的选项。

  1. 在开启某一选项的过程中，会出现一些自动打开的选项，对于这些选项，也可以选择性进行关闭。

  2. 对于allnoconfig默认开启配置选项，也可以选择性进行关闭。

3.4 最小配置

General setup

[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
    [*]   Support initial ramdisks compressed using gzip
[*] Optimize for size 
[*] Configure standard kernel features (expert users)  --->

Bus options

[*] PCI support

Networking support

[*] TCP/IP networking

Device Drivers

[*] Network device support  --->  
    [*] Ethernet driver support  --->   
         [*] Intel devices
         [*] Intel(R) PRO/1000 Gigabit Ethernet support

Character devices  ---> 
    [*] Enable TTY 
        Serial drivers  ---> 
        [*] 8250/16550 and compatible serial support
        [ ]   Support 8250_core.* kernel options (DEPRECATED)
        [*]   Console on 8250/16550 and compatible serial port
        [*]   8250/16550 PCI device support
        (4)   Maximum number of 8250/16550 serial ports       
        (4)   Number of 8250/16550 serial ports to register at runtime

File systems（可选）

如果想支持top，ps等相关命令，需要开启该选项，开启后，bzImage大小将由886K变为930K

File systems  --->   
    Pseudo filesystems  --->   
        [*] /proc file system support

具体可以参考tiny_linx/configs/config_726K,通过该配置，编译出来的bzImage大小只有726K，使用qemu启动的时候，注意需要采用-append "console=ttyS0" -nographic方式，才能正常加载。

Section 4：Kernel Mode Linux

Kernel Mode Linux 是一个让用户程序运行在内核模式下的技术。运行于内核模式下的应用可直接访问内核地址空间，与内核模块不同的是，用户程序跟一个正常进程一样，可像一般应用一样执行调度和paging。虽然看似危险，为确保内核的安全性，可通过静态类型检查，软件故障隔离等方法来防范。

4.1 KML Patch

Kernel Mode Linux(KML)官网提供了KML的patch，通过给内核源码打上KML补丁，开启Kernel Mode Linux选项，重新编译内核，即可实现将用户进程在内核态进行执行。

下载KML Patch，更新内核源码，如果对patch的使用不熟悉，可以参考这篇文章补丁(patch)的制作与应用

cd tiny_linux
curl http://web.yl.is.s.u-tokyo.ac.jp/~tosh/kml/kml/for4.x/kml_4.0_001.diff.gz | gunzip > kml.patch
cd linux-4.0.4
patch -p1 < ../kml.patch

会出现如下错误提示：

patching file CREDITS
patching file Documentation/00-INDEX
patching file Documentation/kml.txt
patching file MAINTAINERS
patching file Makefile
Hunk #1 FAILED at 1.
1 out of 1 hunk FAILED -- saving rejects to file Makefile.rej

查看Makefile.rej

--- Makefile
+++ Makefile
@@ -1,7 +1,7 @@
 VERSION = 4
 PATCHLEVEL = 0
 SUBLEVEL = 0
-EXTRAVERSION =
+EXTRAVERSION = -kml
 NAME = Hurr durr I'ma sheep

 # *DOCUMENTATION*

在比对内核源码当中的Makefile文件,发现出现了版本号不匹配的问题，一种方式是修改Makefile，将SUBLEVEl修改为0，另一种方式修改kml.patch，将SUBLEVEL修改为4。

patch -R -p1 < ../kml.patch   #取消之前打过的补丁
patch -p1    < ../kml.patch

执行make menuconfig， 勾选上对应的选项

Kernel Mode Linux  --->
[*] Kernel Mode Linux           
[*]   Check for chroot (NEW)      
    *** Safety check have not been implemented ***

最后重新编译内核即可。

4.2 内核态运行busybox

根据KML的使用说明，只需创建/trusted目录，将需要执行的程序放在该目录下即可，因此我们需要对之前制作的ramdisk进行修改:

cd ramdisk
mkdir trusted
mv bin/busybox /trusted
ln -s /trusted/busybox /bin/busybox

因为bin目录下的其他命令均是符号链接在bin/busybox上，因此通过在bin目录下创建链接到/trusted/busybox的符号链接busybox,以最小的修改代价，完成了ramdisk的修改。

4.3 内核态运行测试

  • time测试
    对于内核态运行的验证，这里花了不少时间，尝试过使用time ./程序的方式，通过比较内核态时间和用户态时间的变化，判断程序是否运行在内核态，不过在测试过程中，发现均运行在用户态，估计是方法哪里需要改进，解决了之后，来更新。

  • 截取寄存器值
    采用汇编的方式，获取进程运行的权限。Orz，又涨见识了。

    #include <stdio.h>
    #include <stdint.h>
    int main() {
        uint32_t cs;
        asm volatile("mov %%cs, %0" : "=r" (cs));
        printf("Privilege level: %x\n", cs & 0x3);
        return 0;
    }

参考资料

  • 杨海宇同学制作文档 详细讲述了如何进行根文件系统制作，以及在这个过程中可能出现的问题。

  • Work_on_Tiny_Linux_Kernel 收集了很多关于Tiny_Linux_Kernel的资料，可以读读，看看大家做了哪些工作。

  • initrd文档，init文档 是在内核源码Documentation目录下的说明文档，非常有用，initrd.txt文档中还讲述了使用loopback device方式制作根文件系统。

  • QEMU命令参数说明 如果不熟悉-kernel, -initrd等相关qemu命令，可以参考该文章进行学习

  • QEMU Networking qemu官方关于网络配置说明文档

  • 补丁和patch 如果不熟悉如何制作patch，打补丁，可以参考这篇文章

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