Linux kernel User Guide

发表于 2023-03-09 更新于 2025-03-21 分类于 GNU/Linux操作系统， Linux Kernel 本文字数： 7.9k 阅读时长 ≈ 13 分钟

概述

本文对内核的使用方法（包括构建、编译等）作一些总结。

参考 The Linux kernel user’s and administrator’s guide。

准备

获取源码

可以在内核仓库中找到对应版本的源码压缩包、签名和补丁，也可以使用 git 克隆内核仓库。我们以 5.4 版本为例：

$ wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.xz
$ wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.sign

# 也可以使用国内的镜像源：
$ wget https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.xz
$ wget https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.sign

获取 Greg Kroah-Hartman 和 Linus Torvalds 的公钥：

1	$ gpg2 --locate-keys torvalds@kernel.org gregkh@kernel.org

解压并验证签名：
$ xz -cd linux-5.4.tar.xz | gpg2 --verify linux-5.4.tar.sign -

$ tar xf linux-5.4.tar
$ cd linux-5.4

如果验证签名失败，并显示“缺少公钥”，可以根据提示的用户 ID 从密钥服务器导入公钥（前提是密钥服务器没有受到攻击）：

$ gpg2 --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 0D3B3537C4790F9D

编译环境

编译环境所依赖的软件包列表：Minimal requirements to compile the Kernel。

配置

还原环境

$ make mrproper
每次需要将内核源码树还原到刚解压时的状态，可运行该命令。

$ make clean
删除生成的目标文件（不会删除.config）

配置命令

make oldconfig - 基于Host系统上的.config 进行配置，如/boot/config-5.xx.xx-xx-generic

make defconfig - 按默认选项进行配置（x86_64_defconfig）
make allnoconfig - 除必须选项外，其他一律不选（常用于嵌入式系统）
make allyesconfig -

make menuconfig - 交互式界面

可以查看 make help 来获取更多信息。

建议：

使用 make defconfig 获取默认配置
使用当前Host系统上的 config 文件，一般为 /boot/config-xxxxxxxxx
其他发行版系统的配置文件

编译

make -j<N>

可以使用 ccache 加速编译。

如果遇到下面的问题：

1	arch/x86/entry/thunk_64.o: warning: objtool: missing symbol table

参考链接：https://lkml.org/lkml/2021/1/14/387

如果遇到：

1 2	ld: arch/x86/boot/compressed/pgtable_64.o:(.bss+0x0): multiple definition of `__force_order'; arch/x86/boot/compressed/kaslr_64.o:(.bss+0x0): first defined here

参考链接：https://lkml.org/lkml/2020/1/29/494

如果遇到：

1	cc1: error: code model kernel does not support PIC mode

则可以修改内核源码中的 Makefile 文件，添加-fno-pie 到变量 KBUILD_CFLAGS 。

很多编译问题都可以在内核邮件列表中查找到解决方法。

其他架构

如果要交叉构建基于 vexpress-a9 架构：

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$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_defconfig
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig   # 注意配置 DEBUG_PLL 和 EARLY_PRINTK
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j8

安装

安装 `bzImage`

bzImage 是源码树根目录下生成的 vmlinux 的压缩版本。它的位置在arch/x86/boot/bzImage。

首先将它拷贝到Host系统的/boot目录中（可以重命名为vmlinuz-5.4-xxx，xxx为区分标记，可以设置为任意特定的字符串）
$ sudo cp arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-5.4-xxx

然后修改 grub 配置文件

安装模块

$ sudo make modules_install

System.map 文件

内核命令行参数

我们将内核也看作一个单独的程序（带main函数）时，也可以给它传入命令行参数（例如由引导程序传递）。

模块参数

模块的参数可以通过内核命令行设置，例如：
usbcore.blinkenlights=1

也可以使用 modprobe ：
modprobe usbcore blinkenlights=1

使用 modinfo info <module_name> 可以获取可加载模块的参数列表。对于可加载模块，当被载入内核时，会将所有参数映射为 /proc/modules/{module_name}/parameters/ 中的文件，这使得用户可以直接修改该文件来设置模块参数。

命令行参数格式

- 与 _ 是等价的，例如log_buf=1M 等价于 log-buf=1M
对于带空格的字符串使用双引号，例如param="spaces in here"

设备列表

内核参数

使用/proc/sys虚拟文件系统可以动态修改内核参数。直接修改该目录下的参数文件会立即生效，但重启后就失效了。如果需要永久生效，则需要修改/etc/sysctl.conf文件，并在修改后执行sysctl -p生效。使用sysctl -a查看所有可修改的变量名。

内核调试

参考跟踪分析Linux内核启动过程 - CSDN
参考学习ulk3,搭建linux2.6内核的调试环境
参考使用GDB调试Linux Kernel
参考 Debugging kernel and modules via gdb

环境准备

安装 qemu 虚拟机：$ sudo apt-get install qemu 或者对于 ARM 架构：$ sudo apt-get install qemu-system-arm
安装 gdb ：$ sudo apt-get install gdb

U-Boot

U-Boot 主要用于嵌入式 Linux 系统的 bootloader，编译：

$ git clone https://gitee.com/mirrors/u-boot.git 
$ cd u-boot
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_ca9x4_defconfig
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j8

使用 qemu 虚拟机：

$ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 256 -kernel u-boot -nographic
U-Boot 2025.04-rc3-00052-g0fd7ee0306a8 (Mar 08 2025 - 17:55:54 +0800)

DRAM:  256 MiB
WARNING: Caches not enabled
Core:  23 devices, 11 uclasses, devicetree: embed
Flash: 128 MiB
MMC:   mmci@5000: 0
Loading Environment from Flash... *** Warning - bad CRC, using default environment

In:    uart@9000
Out:   uart@9000
Err:   uart@9000
Net:   eth0: ethernet@3,02000000
Hit any key to stop autoboot:  0
=>

参考基于 QEMU 的 ARM 仿真。
参考支持树莓派4b的 Qemu 环境搭建

构建内核

构建内核时，注意在kernel hacking 配置项中选择打开 compile the kernel with debug info 以及 Provide GDB scripts for kernel debugging。另外取消 Kernel Features -> Randomize the address of the kernel image 配置项。

制作根文件系统

使用 Buildroot 工具来制作根文件系统。官网下载源代码后，编译构建：

1	$ make menuconfig # 选择架构和文件系统类型

BuildRoot 会从源代码构建所以基础软件包，相对来说比较耗时。使用方法参考[BuildRoot 工具介绍]

如果只需要使用非常简单的根文件系统，可以直接使用 busybox 来制作。

准备根目录镜像并初始化

a. 创建并格式化 img 文件

1 2	$ dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=4096 count=1024 $ mke2fs rootfs.img

b. 挂载镜像文件

1 2	$ mkdir rootfs $ sudo mount -o loop rootfs.img rootfs

c. 准备 dev 目录

$ sudo mkdir rootfs/dev

# linux 启动过程中会使用 console 设备
$ sudo mknod rootfs/dev/console c 5 1

# 另外需要一个 Linux 根设备
$ sudo mknod rootfs/dev/ram b 1 0

d. 新建其他目录（可选）

1	$ sudo mkdir rootfs/{proc,sys,var,run}

特别的，/proc 目录中包含了许多内核数据结构的映射，对于调试非常重要。一种方法是使用 qemu 进入 shell 后手动挂载：

1	$ mount -t proc none /proc

也可以手动挂载 sysfs 文件系统：

1	$ mount -t sysfs sysfs /sys

特别注意的是，如果要支持设备热插拔（如udev 或者 mdev），需要挂载 /dev 和 /dev/pts 文件系统：

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mount -t devtmpfs devtmpfs /dev 
mkdir /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts

但重启后配置会消失。使用 /etc/fstab 或者 /etc/init.d/rcS 来自动挂载。

构建 busybox

下载 BusyBox 源代码并验证数字签名后，进行构建：

$ make defconfig
$ make menuconfig
# 注意修改配置：busybox settings -> build options -> build busybox as a static binary (no share libs)。
# 如果生成的不是静态链接的可执行文件，那么 busybox 就会依赖宿主机上的一些动态链接库，而一个单 linux 内核无法提供这些库。

$ make
$ sudo make CONFIG_PREFIX=<rootfs path>/ install
# 上述命令将 busybox 安装到已经挂载的 rootfs 根目录中

最后卸载 rootfs 即可：

1	$ sudo umount rootfs

使用 qemu 验证

在树莓派5 ARM64 架构下验证：

# 注意使用制作的 rootfs.img 镜像文件
# root=/dev/vda 使用 vda 关键字，而不是 ram 或者 sda
# init=/bin/ash 这里使用 ash 作为内核启动后第一个运行的用户程序
$  qemu-system-aarch64 -M virt -cpu cortex-a72 -kernel  arch/arm64/boot/Image -drive format=raw,file=rootfs.img,media=disk -append "root=/dev/vda init=/bin/ash" -serial stdio -display none

......
[    0.853700] EXT4-fs (vda): mounted filesystem without journal. Opts: (null)
[    0.854244] VFS: Mounted root (ext4 filesystem) readonly on device 254:0.
[    0.859716] devtmpfs: mounted
[    0.893438] Freeing unused kernel memory: 5056K
[    0.894555] Run /bin/ash as init process
/bin/ash: can't access tty; job control turned off
~ # ls
bin         linuxrc     proc        sbin        usr
dev         lost+found  run         sys         var

在 vexpress-a9 架构下验证：

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$ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage \
-dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic \
-append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd rootfs.img

qemu + gdb 调试内核

在调试模式下启动 qemu，其中 “-s” 选项表示：使用 tcp 1234 端口；“-S” 选项表示只有在 gdb 连上 tcp 1234 端口后，CPU 才会继续执行。nokaslr 禁用 ASLR 安全机制。

1	$ qemu-system-x86_64 -s -S -kernel arch/x86/boot/bzImage -append "root=/dev/zero console=ttyS0 nokaslr" -serial stdio -display none

如果是 arm64 架构：

1	$ qemu-system-aarch64 -s -S -no-reboot -M virt -cpu cortex-a72 -smp 4 -kernel arch/arm64/boot/Image --append "root=/dev/vda2 console=ttyAMA0 nokaslr" -serial stdio -display none

指定 rootfs 的命令：

$ qemu-system-aarch64 -s -S -no-reboot -M virt -cpu cortex-a72 -smp 4 -kernel arch/arm64/boot/Image -drive format=raw,file=rootfs.img,media=disk --append "nokaslr root=/dev/vda init=/bin/ash" -serial stdio -display none

运行 gdb：$ gdb vmlinux 或者 $ gdb vmlinuz
注意这里如果提示无法加载vmlinux-gdb.py，则根据提示在 gdb 配置文件中为 add-auto-load-safe-path 设置脚本绝对路径。该脚本中扩展了一些 gdb 命令，比如查看内核缓冲区、查看进程等。

然后在 gdb 中输入 target remote localhost:1234 并设置断点

(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) break start_kernel
(gdb) continue
Continuing.

Breakpoint 1, start_kernel () at init/main.c:576
576	{

(gdb) lx-dmesg

构建模块并调试

参考构建外部模块

在编译完内核后，将内核模块安装到 rootfs 的 lib/modules 目录中：

1	$ make INSTALL_MOD_PATH=rootfs/ modules_install

调试技巧

如果要关闭某个函数的编译优化，使用 __attribute__((optimize(0))) 编译器优化选项。如果要关闭某段代码的优化：

void foo() {
    fun1();
#prama GCC push_options
#prama GCC optimize (0)
    fun2();
    //......
#prama GCC pop_options
    fun3();
}

如果进入根文件系统后，需要创建文件或者目录，需要在内核启动时设定根文件系统的读写权限：

1	.... --append "nokaslr root=/dev/vda rw init=/bin/ash" ...

在 root=/dev/vda 后紧跟 rw 标志。

如果要 init 进程在进入 shell 前做一些其他任务，则启动参数init可以使用 /linuxrc，并在根文件系统中创建 /etc/init.d/rcS 可执行脚本，在脚本中可以编写启动其他用户进程。

概述

准备