调试跟踪Linux内核的启动过程

编译配置安装Linux内核的步骤总览

（1）安装开发工具
（2）下载内核源代码
（3）准备配置文件.config
（4）make menuconfig：配置内核选项
（5）make [-j #] 编译内核
（6）make modules_install：安装模块
（7）make install ：安装内核文件
（8）安装bzImage
（9）生成initramfs根文件系统镜像，也习惯于命名为rootfs
（10）编辑bootloader的配置文件启用新内核

一、安装开发工具并下载安装内核源码

sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz tar -xvf linux-5.4.34.tar

二、配置内核选项

cd linux-5.4.34
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig' 
make menuconfig

注意：执行make menuconfig完会出现配置选项，需要做一下修改:

打开debug相关选项，进入Kernel hacking ==> 进入Compile-time checks and compiler options，在Compile the kernel with debug info和Provide GDB scripts for kernel debugging前面打上'' * ''。

返回到与Kernel hacking同级，在Kernel debugging 处打上'' * ''。

关闭KASLR，否则会导致打断点失败，进入Processor type and features，取消Randomize the address of the kernel image (KASLR)前面的 " * "。

完成上面的配置后，继续执行以下命令：

make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available 
# 测试一下内核能不能正常加载运行，因为没有文件系统最终会kernel panic 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

使用make编译成功后

启动qemu

这时候，qemu会卡住不动，因为现在还没有文件系统，电脑加电启动首先由bootloader加载内核，内核紧接着需要挂载内存根文件系统。

三、制作根文件系统

首先从https://www.busybox.net下载 busybox源代码解压，解压完成后，跟内核一样先配置编译，并安装。

注意事项:

如果使用axel下载出现多次重定向错误，就手动下载或者使用wget等下载。

配置下面的内容时注意路径信息

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 
cd busybox-1.31.1
make menuconfig
# 然后编译安装，默认会安装到源码目录下的 _install 目录中
make -j$(nproc) && make install

使用make menuconfig要把编译配置成静态链接，不用动态链接库，即进入Settings后在Build static binary (no shared libs) 处打上" * "

修改成静态链接

编译安装完成后

然后制作内存根文件系统镜像，大致过程如下：

mkdir rootfs 
cd rootfs 
cp ../_install/* ./ -rf  # 注意路径
mkdir dev proc sys home 
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

执行完sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

准备init脚本文件放在根文件系统跟目录下（rootfs/init），添加如下内容到init文件:

#!/bin/sh 
mount -t proc none /proc 
mount -t sysfs none /sys 
echo "Wellcome MengningOS!" 
echo "--------------------" 
cd home 
/bin/sh

使用chmod +x init给init脚本添加可执行权限，然后执行下面的命令打包成内存根文件系统镜像

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

接下来，测试挂载根文件系统，执行下面命令看内核启动完成后是否执行init脚本（注意文件的相对位置）

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage  -initrd ./busybox-1.31.1/rootfs.cpio.gz

四、跟踪调试Linux内核

下面具体看看如何使用gdb跟踪调试Linux内核。使用gdb跟踪调试内核，加两个参数，一个是-s，在TCP 1234端口上创建了一个gdb-server。可以另外打开一个窗口，用gdb把带有符号表的内核镜像vmlinux加载进来，然后连接gdb server，设置断点跟踪内核。若不想使用1234端口，可以使用-gdb tcp:xxxx来替代-s选项），另一个是-S代表启动时暂停虚拟机，等待 gdb 执行 continue指令（可以简写为c）

执行qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd ./busybox-1.31.1/rootfs.cpio.gz -S -s可以看到QEMU处于stoped状态，说明上面的工作都是有效的，kernel处于debug的状态。

QEMU处于stoped状态

用以上命令先启动，然后可以看到虚拟机一启动就暂停了。加-nographic -append "console=ttyS0"参数启动不会弹出QEMU虚拟机窗口，可以在纯命令行下启动虚拟机，此时可以通过killall qemu-system-x86_64命令强行关闭虚拟机，即关掉QEMU后重新执行

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage  -initrd ./busybox-1.31.1/rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"

再打开一个窗口，启动gdb，把内核符号表加载进来，建立连接

cd linux-5.4.34/ 
gdb vmlinux 
(gdb) target remote:1234 
(gdb) b start_kernel
c、bt、list、next、step....

加载vmlinux

在start_kernel处打断点调式

具体的调试案例如深入理解系统调用。对30号系统调用utime进行调试。

参考：庖丁解牛Linux内核