ここ半年程度 CPU まわりとちまちま遊んでいたのですが、そろそろ一つレイヤを上げて Linux のような OS 部分にも手を出したいなと思っています。そのための第一歩として自分でカーネルのビルドとインストールをしてみました。

対象 Linux カーネルバージョンは 4.17.2 です。

Vagrant で Arch Linux 環境を用意

  • カーネルの動作確認を実機でやるのは辛い
  • 今回は Vagrant (with VirtualBox provider) で環境を用意した
  • Vagrant - ArchWiki を見て こちら の box を使用した
    • 何故かやたら遅かったので box を手動で落として vagrant box add した
$ curl -O http://cloud.terry.im/vagrant/archlinux-x86_64.box
$ vagrant add box archlinux-x86_64.box --name archlinux
  • Vagrantfile を用意して vagrant up で VM 立ち上げ
$ cat Vagrntfile
VAGRANTFILE_API_VERSION = "2"

Vagrant.configure(VAGRANTFILE_API_VERSION) do |config|
  config.vm.box = "archlinux"
  config.vm.network "private_network", ip: "192.168.33.10"
  # config.vm.network "forwarded_port", guest: 8888, host:8888

  config.vm.provider "virtualbox" do |vm|
    vm.memory = 4096
  end
end

$ vagrant up
  • VM に入り、まずパッケージの更新
    • libalpm.so.10 のエラーで躓いたので こちら に従って解決
$ vagrant ssh

# ...after resolving `libalpm.so.10` error
$ yaourt -Syua

カーネルのビルドに必要なパッケージのインストール

$ yaourt -S bc

カーネルのダウンロード

$ curl -O https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.17.2.tar.gz

カーネル設定

  • カーネル設定はたくさんあるので一から作成するのは厳しい
  • 既存の (稼働中の) OS が使用している設定をコピーし、必要な箇所だけ修正するという方針で
    • CONFIG_LOCALVERSION は既存と異なるものにする。 変更後の Linux カーネルバージョンは 4.17.2-tiqwab のようになる
# decompress
$ tar xvf linux-4.17.2.tar.gz
$ cd linux-4.17.2

# copy configs in the running OS
$ zcat /proc.config.gz > .config
$ make oldconfig

# ... edit CONFIG_LOCALVERSION
$ grep "CONFIG_LOCALVERSION" .config
CONFIG_LOCALVERSION="-tiqwab"
# CONFIG_LOCALVERSION_AUTO is not set

システムコール追加

  • ビルドの成功を確認するために少しカーネルに手を加える
  • ここでは簡単なシステムコールを追加する
  • まだざっとしか理解していないけれどシステムコールを追加するには以下の 2 つをやれば良い
    • システムコール用のテーブルにエントリを追加
    • 関数を定義
  • システムコールのような CPU アーキテクチャ依存のコードは arch 以下に置かれている
# ... edit arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
$ grep "333" arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 
333 common  hello  __x64_sys_hello

# ... add system call
$ sed -n 2644,2652p kernel/sys.c
SYSCALL_DEFINE1(hello, char *, msg)
{
    char buf[256];
    long copied = strncpy_from_user(buf, msg, sizeof(buf));
    if (copied < 0 || copied == sizeof(buf))
        return -EFAULT;
    printk(KERN_INFO "hello \"%s\"\n", buf);
    return 0;
}

一旦この時点の box を作成しておく。

$ vagrant halt
$ vagrant package
$ vagrant box add customized_linux_build package.box

カーネルのコンパイル

  • 自分の環境だと 2 時間ぐらいかかって終わったぽい
    • make -j 4 のようにすると並列化できそう?
$ make

モジュールのコンパイル

  • こちらは割と早く終わった
$ make modules_install

# Compiled modules are copied to /lib/modules
$ ls -F /lib/modules
4.17.2-1-ARCH/  4.17.2-tiqwab/  extramodules-4.17-ARCH/

/boot ディレクトリにカーネルをコピー

$ cp arch/x86_64/boot/bzImage /boot/vmlinuz-linux-tiqwab

初期 RAM ディスクの生成

  • 初期 RAM ディスク (initial ramdisk)
    • Linux カーネルのブート時に使用される一時的なルートファイルシステム
    • メモリ上に読み込まれる
    • 真のルートファイルシステムをマウントする前にファイルシステムを必要とする作業を行うために使用される

以下 initrd - Wikipedia より引用。

ブートローダはカーネルとinitrdイメージをメモリ上にロードし、カーネルを起動する際に initrd のメモリアドレスを渡す。ブートの最終段階で、カーネルはinitrdイメージの先頭数ブロックを読み込み、そのフォーマットを判断する

特に今回はフォーマットとして cpio を使用するので以下の流れになる。

そのイメージがgzipで圧縮されたcpioアーカイブの場合、中間段階としてカーネルがそれを展開して initramfs （Linux 2.6.13 以降利用可能なtmpfsの特殊インスタンス）とし、それを初期化用ルートファイルシステムとする。

実際に必要な操作は以下の通り。

$ sed s/linux/linux-tiqwab/g < /etc/mkinitcpio.d/linux.preset > /etc/mkinitcpio.d/linux-tiqwab.preset
$ mkinitcpio -p linux-tiqwab
  • mkinitcpio は initramfs CPIO イメージを作成するためのツール
  • メインの設定ファイルは /etc/mkinitcpio.conf
  • それに加えてカーネルパッケージ毎にプリセットと呼ばれる設定を追加するらしい
    • /etc/mkinitcpio.d/
  • 既存のプリセットをコピーし、ファイル名やファイル内でのカーネル名にカスタムカーネルの名前を使うように変更する
  • mkinitcpio -p でプリセットを指定
  • 実行後プリセットの定義に基づいて /boot 下にイメージができるはず

プリセット例:

$ sudo cat /etc/mkinitcpio.d/linux-tiqwab.preset
# mkinitcpio preset file for the 'linux-tiqwab' package

ALL_config="/etc/mkinitcpio.conf"
ALL_kver="/boot/vmlinuz-linux-tiqwab"

PRESETS=('default' 'fallback')

#default_config="/etc/mkinitcpio.conf"
default_image="/boot/initramfs-linux-tiqwab.img"
#default_options=""

#fallback_config="/etc/mkinitcpio.conf"
fallback_image="/boot/initramfs-linux-tiqwab-fallback.img"
fallback_options="-S autodetect"

mkinitcpio 後 の /boot:

$ ls -l /boot
total 81364
drwxr-xr-x 6 root root     4096 Jul 12 22:45 grub
-rw-r--r-- 1 root root 28943926 Jun 21 09:04 initramfs-linux-fallback.img
-rw-r--r-- 1 root root  7382653 Jun 21 09:04 initramfs-linux.img
-rw-r----- 1 root root 28936243 Jul 12 22:38 initramfs-linux-tiqwab-fallback.img
-rw-r----- 1 root root  7384434 Jul 12 22:38 initramfs-linux-tiqwab.img
-rw-r--r-- 1 root root  5326800 Jun 16 21:08 vmlinuz-linux
-rw-r----- 1 root root  5326800 Jul 12 22:35 vmlinuz-linux-tiqwab

ブートローダの設定

  • GRUB (GRand Unified Bootloader) を使用する。

GRUB - ArchWiki からの引用。

ブートローダーはコンピューターが起動した時に最初に走るソフトウェアプログラムです。Linux カーネルのロードとコントロールの移譲を担当しています。そして、カーネルはオペレーションシステムの他全てを初期化します。

ブートまわりは知識が薄いのであとで整理するとして、やること自体は少ない。

$ grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

これで /boot を見てエントリを追加してくれるよう。

動作確認

  • リブートして自身のカーネルが使われるかを確認する
    • Vagrant だとブート時に OS の選択ができない
    • しかしリブートしたら自分でビルドしたのが選ばれている
    • grub のエントリの優先度の問題なんだろうけど、確認方法がいまいち？

カーネルバージョンのチェック:

$ uname -r
4.17.2-tiqwab

追加したシステムコール確認用のコード:

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <stdio.h>

# define SYS_hello 333

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc <= 1) {
        printf("Must provide a string to give to system call.\n");
        return -1;
    }
    char *arg = argv[1];
    printf("Making system call with \"%s\".\n", arg);
    long res = syscall(SYS_hello, arg);
    printf("System call returned %ld.\n", res);
    return res;
}

実行:

$ cc -o hello hello.c
$ ./hello 'world'
Making system call with "world".
System call returned 0.

$ dmesg | tail -n 1
[  370.007738] hello "world"

参考