操作系统内核分析 实验一 Linux系统启动过程
需要的基本工具及文件：
- VMware Workstation 15 player
- ubuntu-18.04.3-desktop-amd64.iso镜像文件
- Linux源码
- busybox源码
一、准备实验环境
（一）、下载ubuntu镜像
- 进入 ubuntu 官网下载页，如图1。
- 点击 Ubuntu Desktop，进入图2。
- 再点击 Ubuntu 18.04.3 LTS 版本右侧的 Download ,开始下载。
- 得到 ubuntu-18.04.3-desktop-amd64.iso 镜像文件。
（二）、安装Ubuntu虚拟机
- 进入VMware官网，按下图下载 VMware Workstation 15 Player ，安装完成后继续，此处安装过程省略。
- 打开 VMware Workstation 15 Player ，点击 创建新虚拟机 ，之后按图5操作，之后耐心等待安装完成。
- 安装结束，自动进入登录界面，可点击之前简易安装创建的用户，输入密码登录。到此安装Ubuntu虚拟机完成。
二、配置、编译linux内核以及busybox
因为刚开始学Linux，本文产生文件统一放在桌面，便于理解。大家可以按照自己需要，自行修改教程中的命令代码，选择存放位置。 若自行修改了文件路径，后面使用该文件时，也请注意修改文件路径
（一）安装开发套件及工具
- 在桌面右键单击，选择
Open Terminal菜单项，进入终端界面。 - 在命令提示符后面，依次输入执行以下命令，过程中需要输入账户密码。
sudo apt update #检查更新
sudo apt install build-essential #基本开发套件
sudo apt install gcc-multilib
sudo apt install git #分布式版本控制系统- 安装结束后，可通过
gcc --version检验gcc安装是否成功，成功将显示gcc版本信息。
同样，也可通过git --version检验git安装是否成功，成功将显示git版本信息。 - git配置(仅使用git克隆远程仓库，可跳过此步)：
git config --global "nickname" #其中nickname，改成你想要的用户名
git config --global user.email "XXX@mail.com" #XXX@mail.com，改成你的个人邮箱- 获取Linux源码和Busybox源码到桌面，时间因网速而异，耐心等待。执行完，会在桌面生成一个名为
linux的文件夹和一个名为busybox的文件夹。
cd ~/Desktop #改变路径，用于后面克隆代码到桌面
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git #linux内核源码（国外源较慢，这里从清华大学镜像服务器获取内核源码）
git clone git://git.busybox.net/busybox #Busybox 是一个集成了大多数常用 Linux 命令 和工具的软件。- 安装编译内核所需的软件包
sudo apt install flex
sudo apt install bison
sudo apt install libncurses5-dev
sudo apt install pkg-config
sudo apt install libglade2-dev
sudo apt install libssl-dev
sudo apt install libelf-dev（二）配置、编译linux内核
- 首先进入linux文件夹
cd ~/Desktop/linux- 清除以前的编译结果及配置信息（可跳过）
若之前有配置、编译过内核可执行该操作清除编译、配置结果，对于新克隆的源码可跳过此步
make mrproper- 配置linux内核
make defconfig #配置内核(按默认选项配置)
make menuconfig #进入图形化的内核配置界面，自定义配置进入图形化的内核配置界面后，接着按下面操作
1）按【↓】箭头键,找到最下面的 Kernel hacking，按【enter】键进入该配置项
2）按【↓】箭头键，找到 Compile-time checks and compiler options ，按【enter】键进入该配置项
3）按【↑】【↓】箭头键调整选项，找到 Compile the kernel with debug info，按【空格键】选中
4）此时，出现一些Compile the kernel with debug info的子配置项，找到Provide GDB scripts for kernel debugging，也按【空格键】选中
5）连按两下【ESC】键，退出该配置项，再连按两下【ESC】键，退回配置主页。
6）找到并回车进入 Processor type and features 选项，再在接近底部的Build a relocatable kernel 项下，按【空格键】去掉配置项Randomize the address of the kernel image (KASLR)
7）多次连按【ESC】，退出配置，此时提示是否希望保存新的配置，回车选择Yes。回到终端，继续执行本文后面命令。- 编译linux内核
make #编译内核,持续时间比较久，耐心等待（三）配置、编译busybox
- 配置 Busybox，生成配置文件
cd ~/Desktop/busybox #进入之前克隆的busybox源码目录
make defconfig #配置 Busybox，生成配置文件(按默认选项配置)
make menuconfig #进入图形化的配置界面进入图形化的配置界面后，接着按下面操作
1) 进入Setting --直接按【enter】进入配置组
2) 按【↓】箭头键,找到构建选项 build options
3) 按【↓】箭头键,找到构建选项下的 build static binary (no shared libs)，按【空格键】，选中
4) 按下【esc】退出配置组
5) 再按下【esc】，提示保存修改，按【enter】键选择 yes 确认保存
6) 配置完成，回到终端继续执行本文后面命令- 编译busybox
make install -j2 #编译busybox
#-j 参数指定了可并行执行的作业数，通常设为计算机 CPU 数目的两倍以提高编译速度。
# 持续时间一丢丢久，耐心等待，直到显示
# --------------------------------------------------
# You will probably need to make your busybox binary
# setuid root to ensure all configured applets will
# work properly.
# --------------------------------------------------三、用 Busybox 制作根文件系统
- 进入桌面文件夹
cd ~/Desktop- 创建 100M 磁盘镜像 rootfs.img
dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=1M count=100- 在磁盘镜像中创建 ext4 根文件系统
mkfs.ext4 rootfs.img- 挂载刚刚创建的根文件系统
mkdir rootfs
sudo mount -o loop rootfs.img rootfs #需要输入密码- 创建文件夹
cd rootfs
sudo rm -rf lost+found
sudo mkdir -pv {bin,sbin,etc/init.d,proc,sys,usr/{bin,sbin},tmp,dev}- 在根文件系统上安装 busybox
sudo cp -drv ~/Desktop/busybox/_install/* .
sudo chmod u+s bin/busybox #给bin文件夹下busybox文件设置setuid标志
#即 使文件在执行阶段具有文件所有者的权限- 创建系统配置文件 /etc/inittab (若权限不足，则先执行sudo bash)
sudo cat > etc/inittab << EOF出现大于号【>】形状的提示符后，复制下面五行代码，粘贴进去(代码前面无空格)
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
::restart:/sbin/init
::shutdown:/bin/umount -a -r
EOF- 创建系统设置脚本 /etc/init.d/rcS
sudo cat > etc/init.d/rcS << EOF出现大于号【>】形状的提示符后，复制下面十行代码，粘贴进去(代码前面无空格)
#!/bin/sh
echo "INIT SCRIPT"
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys
mount -t debugfs debugfs /sys/kernel/debug
mount -t tmpfs tmpfs /tmp
mdev -s
mount -n -o remount,rw /
echo -e "\nBoot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
EOF- 赋予rcS文件执行权限
sudo chmod +x etc/init.d/rcS- 卸载根文件系统
cd ../
sudo umount rootfs若卸载时提示target is busy，则执行fuser -v rootfs 查看占用rootfs的进程。
查看没什么特别大的问题，则执行fuser -k rootfs可以直接结束使用rootfs文件的进程。
然后可能需要打开终端，cd ~/Desktop进入桌面后，再次卸载根文件系统sudo umount rootfs。
四、运行及调试内核
- 安装 qemu 虚拟机软件
sudo apt install qemu- 在 home 目录下创建 .gdbinit 文件
cd /home
cat > ~/.gdbinit << EOF出现大于号【>】形状的提示符后，复制下面2行代码，粘贴进去(代码前面无空格)
add-auto-load-safe-path path/to/linux
EOF- qemu 创建并运行虚拟机
sudo qemu-system-x86_64 -kernel ~/Desktop/linux/arch/x86_64/boot/bzImage -hda ~/Desktop/rootfs.img -append "console=ttyS0 root=/dev/sda" -nographic -s -S
#执行该命令之后，因为加了-S参数，会挂起虚拟机，所以没有执行迹象请不要惊慌，继续后面步骤【部分参数说明】：
-s 参数：为虚拟机启动一个 gdbserver ，等待 gdb 客户端连接。默认 tcp 端口 1234 。
-S 参数：挂起虚拟机，直到 gdb 客户端连接并 给出继续执行的指令。
- 用 gdb 调试内核
前面终端中虚拟机处于挂起状态，我们要调试内核，必须要另外再开一个终端，通过tcp端口1234执行gdb调试，所以以下代码在另一个终端中进行。
#新开一个终端，执行以下命令
cd ~/Desktop/linux #进入linux内核源码根目录
gdb vmlinux #以内核可执行文件作为参数运行 gdb
target remote :1234 #连接至 gdbserver
break start_kernel #使用break设置函数断点
break rest_init
break kernel_init
break run_init_process
info breakpoints #查看所有设置的断点
continue #继续程序执行（遇到断点会停止运行）- 添加断点成功后，即可开始调试
调试过程中，可以激活源码浏览窗口，查看执行位置附件的源码。
快捷键【Ctrl + x, a】（重复这一操作可以反复隐藏/显示源码浏览窗口。）
当内核程序运行至断点处时将暂停运行，在终端B的gdb调试环境中综合运用下列调试指令来跟踪调试内核程序
• step（单步执行，当执行函数调用时会跟踪进入函数内部）
• next（单步执行，执行函数调用时不会跟踪进入函数内部）
• finish（从一个函数内部返回到上一层调用它的地方）
• continue（运行暂停的程序直到下一个断点处）
• backtrace（查看当前正在调试的程序的函数调用栈）- 调试内核，了解linux启动过程
- 正常调试截图
- 正常退出
1)先结束 qemu ，按【ctrl+a,x】，提示QEMU: Terminated即为qemu退出成功
2)再退出 gdb ，在 gdb 所在终端，输入quit回车即可。
本文章为转载内容，我们尊重原作者对文章享有的著作权。如有内容错误或侵权问题，欢迎原作者联系我们进行内容更正或删除文章。
