[OS] 编译 Linux 内核

编译 Linux 内核：详细教程与 Kthreads 入门结合

我们将学习如何编译 Linux 内核，同时结合 Kthreads 的知识来理解各个步骤的目的。对于虚拟环境下的开发环境配置，本文将为你提供逐步指导。

1. 下载内核源代码

首先，我们需要从官方或国内镜像站下载 Linux 内核源代码：

• 官方网址：http://www.kernel.org

• 清华大学开源镜像站：https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/kernel/v5.x/

为什么要下载源代码呢？这是因为我们需要对内核进行自定义，添加我们的内核线程（Kthread）相关功能。内核线程是 Linux 中一个强大的工具，它可以让你创建、管理并行任务，非常适合需要实时处理的系统功能。

1. 在主机上下载内核源代码：首先从网站下载你需要的内核版本，例如最新的稳定版本 6.11.2。

2. 将下载的文件移至 Vagrant 虚拟机：

   • 可以通过共享文件夹的方式，将下载的 .tar.xz 文件从主机系统移至虚拟机中。
   • 或者使用 scp 命令从主机传输到虚拟机。

3. 在虚拟机中解压和编译：

   • 将文件复制到你的工作目录，比如 /home/seed/work。

     mv /home/vagrant/csc3150/linux-5.15.10 /home/seed/work
     

   • 然后解压、配置、编译和安装内核。

共享文件夹的挂载和使用需要在 Vagrant 配置文件（Vagrantfile）中进行配置，比如：

config.vm.synced_folder "path/to/your/local/folder", "/vagrant"

2. 安装依赖和开发工具

在编译内核之前，需要安装必要的依赖包和开发工具。这些工具将帮助我们顺利完成编译过程。

sudo apt-get install libncurses-dev gawk flex bison openssl libssl-dev dkms libelf-dev libudev-  dev libpci-dev libiberty-dev autoconf llvm dwarves

这些工具中的每一个都有特定用途：

• libncurses-dev：用于支持终端用户界面（TUI），例如菜单配置。

• flex 和 bison：是词法分析器和语法分析器生成工具，用于构建和解析内核配置。

• openssl 和 libssl-dev：用于加密功能，确保内核中数据的安全性。

这些工具的安装是内核编译的基础，因为内核编译涉及到大量复杂的配置和依赖，少了其中任何一个都会导致编译失败。

3. 解压内核源代码

将下载的内核源代码解压到工作目录：

cp KERNEL_FILE.tar.xz /home/seed/work
cd /home/seed/work
$sudo tar xvf KERNEL_FILE.tar.xz

在这里，我们将源代码解压到 /home/seed/work，这是为了确保我们的工作环境干净且可控，避免对系统的其他部分产生影响。

4. 复制配置文件

从 /boot 目录中复制系统当前的配置文件，以作为内核编译的基础配置：Copy config from /boot to /home/seed/work/KERNEL_FILE

这个步骤的目的是使用现有内核的配置，确保我们在编译过程中不会遗漏关键的选项。

§Login root account and go to kernel source directory

$sudo su
$cd /home/seed/work /KERNEL_FILE

5. 开始配置和编译内核

清理之前的设置并重新配置

make mrproper
make clean
make menuconfig

• make mrproper：清除之前编译留下的临时文件。

• make clean：删除编译生成的对象文件，确保干净的编译环境。

• make menuconfig：进入内核配置界面，可以在这里添加我们的模块，例如 Kthreads

• save the config and exit

对于 Kthreads 入门，我们需要确保内核支持内核线程的调度和管理。因此，在 menuconfig 中检查线程相关的配置非常重要。

6. 编译内核和模块

使用 make bzImage 和 make modules 来分别编译内核镜像和模块。-j$(nproc) 表示使用所有可用的 CPU 内核来加快编译速度。

make bzImage -j$(nproc)
make modules -j$(nproc)
make –j$(nproc)

这个步骤可能需要较长时间，因为内核编译涉及大量代码。如果你对 Kthreads 有了解，这部分的内容实际上就是内核如何将各个线程（包括我们创建的内核线程）组织到内核模块中。

7. 安装模块和内核

编译完成后，安装模块和内核：

make modules_install

make install

这些命令会把编译好的内核和模块安装到系统中，以便在重启时加载新的内核版本。

8. 重启并选择新内核

重启系统并选择新编译的内核版本：

reboot

在重启过程中，你需要在引导菜单中选择新编译的内核版本，以确保加载我们新加入的 Kthreads 模块。

9. 验证内核版本

验证当前运行的内核版本：

uname -r

这样可以确认我们是否成功运行了刚刚编译的内核。

编译过程中常见问题

• 文件或目录不存在：

  • 确保在 Linux 环境中解压源代码，而不是在 Windows 或 macOS 中解压。不同的操作系统可能对文件名大小写敏感性处理不同，可能导致文件找不到。

• 磁盘空间不足：

  • 内核源代码较大，编译过程需要大量的磁盘空间，建议将源代码移动到有足够空间的目录下再继续编译。

• 共享文件夹的问题：

  • 如果你使用虚拟机进行开发，确保共享文件夹正确挂载，避免由于共享文件夹的问题导致编译失败。

EXPORT_SYMBOL 的使用

在实现 Kthreads 的过程中，我们可能需要使用一些内核函数，这些函数需要通过 EXPORT_SYMBOL() 导出，才能被其他模块使用。例如，do_wait() 函数是用于等待子进程结束的常用函数，需要先在源码中进行导出。

代码示例

编译内核的完整命令流程

1. 下载并解压内核源代码

2. 复制配置文件

3. 清理设置并开始配置

4. 编译内核镜像和模块

5. 安装内核模块和内核

6. 重启系统并选择新内核

7. 验证内核版本

构建内核对象

在进行内核模块的加载和测试时，我们还需要构建内核对象。以下是一个构建内核对象的 Makefile 示例：

• KM 是内核对象的名称。

• 使用 make 命令来构建内核对象。

• 使用 make clean 命令可以清除所有构建文件，只保留原始的 .c 文件和 Makefile。

当你在虚拟环境中进行开发时，使用这些命令来构建和清理内核模块可以帮助你保持代码的整洁，并确保每次构建都是从干净的环境开始。

插入和移除内核模块

在构建内核对象之后，我们需要将其插入内核进行测试，并在不需要时将其移除。

插入内核模块

在插入内核对象之前，你需要以 root 用户身份登录：

然后使用以下命令插入内核模块：

列出插入的模块

要列出当前插入的模块，可以使用以下命令：

这样可以确认我们的模块是否已经成功插入内核。

移除内核模块

在不需要使用模块时，记得将其移除：

这可以释放系统资源，确保内核的稳定性。