# 60 | 搭建操作系统实验环境（上）：授人以鱼不如授人以渔 操作系统的理论部分我们就讲完了，但是计算机这门学科是实验性的。为了更加深入地了解操作系统的本质，我们必须能够做一些上手实验。操作系统的实验，相比其他计算机课程的实验要更加复杂一些。 我们做任何实验，都需要一个实验环境。这个实验环境要搭建在操作系统之上，但是，我们这个课程本身就是操作系统实验，难不成要自己debug自己？到底该咋整呢？ 我们有一个利器，那就是qemu啊，不知道你还记得吗？它可以在操作系统之上模拟一个操作系统，就像一个普通的进程。那我们是否可以像debug普通进程那样，通过qemu来debug虚拟机里面的操作系统呢？ 这一节和下一节，我们就按照这个思路，来试试看，搭建一个操作系统的实验环境。 运行一个qemu虚拟机，首先我们要有一个虚拟机的镜像。咱们在[虚拟机](https://time.geekbang.org/column/article/108964)那一节，已经制作了一个虚拟机的镜像。假设我们要基于 [ubuntu-18.04.2-live-server-amd64.iso](http://ubuntu-18.04.2-live-server-amd64.iso)，它对应的内核版本是linux-source-4.15.0。 当时我们启动虚拟机的过程很复杂，设置参数的时候也很复杂，以至于解析这些参数就花了我们一章的时间。所以，这里我介绍一个简单的创建和管理虚拟机的方法。 在[CPU虚拟化](https://time.geekbang.org/column/article/109335)那一节，我留过一个思考题，OpenStack是如何创建和管理虚拟机的？当时我给了你一个提示，就是用libvirt。没错，这一节，我们就用libvirt来创建和管理虚拟机。 ## 创建虚拟机 首先，在宿主机上，我们需要一个网桥。我们用下面的命令创建一个网桥，并且设置一个IP地址。 ``` brctl addbr br0 ip link set br0 up ifconfig br0 192.168.57.1/24 ``` 为了访问外网，这里还需要设置/etc/sysctl.conf文件中net.ipv4.ip\_forward=1参数，并且执行以下的命令，设置NAT。 ``` iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE ``` 接下来，就要创建虚拟机了。这次我们就不再一个个指定虚拟机启动的参数，而是用libvirt。首先，使用下面的命令，安装libvirt。 ``` apt-get install libvirt-bin apt-get install virtinst ``` libvirt管理qemu虚拟机，是基于XML文件，这样容易维护。 ``` ubuntutest 0f0806ab-531d-6134-5def-c5b4955292aa 4 4 2 hvm destroy restart restart /usr/bin/qemu-system-x86_64 ``` 在这个XML文件中，/mnt/vdc/ubuntutest.img就是虚拟机的镜像，br0就是我们创建的网桥，连接到网桥上的网卡libvirt会自动帮我们创建。 接下来，需要将这个XML保存为domain.xml，然后调用下面的命令，交给libvirt进行管理。 ``` virsh define domain.xml ``` 接下来，运行virsh list --all，我们就可以看到这个定义好的虚拟机了，然后我们调用virsh start ubuntutest，启动这个虚拟机。 ``` # virsh list Id Name State ---------------------------------------------------- 1 ubuntutest running ``` 我们可以通过ps查看libvirt启动的qemu进程。这个命令行是不是很眼熟？我们之前花了一章来讲解。如果不记得了，你可以回去看看前面的内容。 ``` # ps aux | grep qemu libvirt+ 9343 85.1 34.7 10367352 5699400 ? Sl Jul27 1239:18 /usr/bin/qemu-system-x86_64 -name ubuntutest -S -machine pc-i440fx-trusty,accel=tcg,usb=off -m 4096 -realtime mlock=off -smp 2,sockets=2,cores=1,threads=1 -uuid 0f0806ab-531d-6134-5def-c5b4955292aa -no-user-config -nodefaults -chardev socket,id=charmonitor,path=/var/lib/libvirt/qemu/domain-ubuntutest/monitor.sock,server,nowait -mon chardev=charmonitor,id=monitor,mode=control -rtc base=utc -no-shutdown -boot strict=on -device piix3-usb-uhci,id=usb,bus=pci.0,addr=0x1.0x2 -drive file=/mnt/vdc/ubuntutest.img,format=qcow2,if=none,id=drive-virtio-disk0 -device virtio-blk-pci,scsi=off,bus=pci.0,addr=0x4,drive=drive-virtio-disk0,id=virtio-disk0,bootindex=1 -netdev tap,fd=26,id=hostnet0 -device virtio-net-pci,netdev=hostnet0,id=net0,mac=fa:16:3e:6e:89:ce,bus=pci.0,addr=0x3 -chardev pty,id=charserial0 -device isa-serial,chardev=charserial0,id=serial0 -vnc 0.0.0.0:0 -device cirrus-vga,id=video0,bus=pci.0,addr=0x2 -device virtio-balloon-pci,id=balloon0,bus=pci.0,addr=0x5 -msg timestamp=on ``` 从这里，我们可以看到，VNC的设置为0.0.0.0:0。我们可以用VNCViewer工具登录到这个虚拟机的界面，但是这样实在是太麻烦了，其实virsh有一个特别好的工具，但是需要在虚拟机里面配置一些东西。 在虚拟机里面，我们修改/boot/grub/里面的两个文件，一个是grub.cfg，另一个是menu.lst，这里面就是咱们在[系统初始化](https://time.geekbang.org/column/article/89739)的时候，讲过的那个启动列表。 在grub.cfg中，在submenu ‘Advanced options for Ubuntu’ 这一项，在这一行的linux /boot/vmlinuz-4.15.0-55-generic root=UUID=470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 ro console=ttyS0 maybe-ubiquity中，加上了console=ttyS0。 ``` submenu 'Advanced options for Ubuntu' $menuentry_id_option 'gnulinux-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' { menuentry 'Ubuntu, with Linux 4.15.0-55-generic' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-4.15.0-55-generic-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' { recordfail load_video gfxmode $linux_gfx_mode insmod gzio if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi insmod part_gpt insmod ext2 set root='hd0,gpt2' if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,gpt2 --hint-efi=hd0,gpt2 --hint-baremetal=ahci0,gpt2 470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 else search --no-floppy --fs-uuid --set=root 470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 fi echo 'Loading Linux 4.15.0-55-generic ...' linux /boot/vmlinuz-4.15.0-55-generic root=UUID=470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 ro console=ttyS0 maybe-ubiquity echo 'Loading initial ramdisk ...' initrd /boot/initrd.img-4.15.0-55-generic } ``` 在menu.lst文件中，在Ubuntu 18.04.2 LTS, kernel 4.15.0-55-generic这一项，在kernel /boot/vmlinuz-4.15.0-55-generic root=/dev/hda1 ro console=hvc0 console=ttyS0这一行加入console=ttyS0。 ``` title Ubuntu 18.04.2 LTS, kernel 4.15.0-55-generic root (hd0) kernel /boot/vmlinuz-4.15.0-55-generic root=/dev/hda1 ro console=hvc0 console=ttyS0 initrd /boot/initrd.img-4.15.0-55-generic ``` 接下来，我们重启虚拟机，重启后上面的配置就起作用了。这时候，我们可以通过下面的命令，进入机器的控制台，可以不依赖于SSH和IP地址进行登录。 ``` # virsh console ubuntutest Connected to domain ubuntutest Escape character is ^] ``` 下面，我们可以配置这台机器的IP地址了。对于ubuntu-18.04来讲，IP地址的配置方式为修改/etc/netplan/50-cloud-init.yaml文件。 ``` network: ethernets: ens3: addresses: [192.168.57.100/24] gateway4: 192.168.57.1 dhcp4: no nameservers: addresses: [8.8.8.8,114.114.114.114] optional: true version: 2 ``` 然后，我们可以通过netplan apply，让配置生效，这样，虚拟机里面的IP地址就配置好了。现在，我们应该能ping得通公网的一个网站了。 虚拟机就此创建好了，接下来我们需要下载源代码重新编译。 ## 下载源代码 首先，我们先下载源代码。 ``` apt-get install linux-source-4.15.0 ``` 这行命令会将代码下载到/usr/src/目录下，我们可以通过下面的命令解压缩。 ``` tar vjxkf linux-source-4.15.0.tar.bz2 ``` 至此，路径/usr/src/linux-source-4.15.0下，就是解压好的内核代码。 准备工作都做好了。这一节，我们先来做第一个实验，也就是，在原有内核代码的基础上加一个我们自己的系统调用。 在哪里加代码呢？如果你忘了，请出门左转，回顾一下[系统调用](https://time.geekbang.org/column/article/90394)那一节。 第一个要加的地方是arch/x86/entry/syscalls/syscall\_64.tbl。这里面登记了所有的系统调用号以及相应的处理函数。 ``` 332 common statx sys_statx 333 64 sayhelloworld sys_sayhelloworld ``` 在这里，我们找到332号系统调用sys\_statx，然后照猫画虎，添加一个sys\_sayhelloworld，这里我们只添加64位操作系统的。 第二个要加的地方是include/linux/syscalls.h，也就是系统调用的头文件，然后添加一个系统调用的声明。 ``` asmlinkage long sys_statx(int dfd, const char __user *path, unsigned flags, unsigned mask, struct statx __user *buffer); asmlinkage int sys_sayhelloworld(char * words, int count); ``` 同样，我们找到sys\_statx的声明，照猫画虎，声明一个sys\_sayhelloworld。其中，words参数是用户态传递给内核态的文本的指针，count是数目。 第三个就是对于这个系统调用的实现，方便起见，我们不再用SYSCALL\_DEFINEx系列的宏来定义了，直接在kernel/sys.c中实现。 ``` asmlinkage int sys_sayhelloworld(char * words, int count){ int ret; char buffer[512]; if(count >= 512){ return -1; } copy_from_user(buffer, words, count); ret=printk("User Mode says %s to the Kernel Mode!", buffer); return ret; } ``` 接下来就要开始编译内核了。 ## 编译内核 编译之前，我们需要安装一些编译要依赖的包。 ``` apt-get install libncurses5-dev libssl-dev bison flex libelf-dev gcc make openssl libc6-dev ``` 首先，我们要定义编译选项。 ``` make menuconfig ``` 然后，我们能通过选中下面的选项，激活CONFIG\_DEBUG\_INFO和CONFIG\_FRAME\_POINTER选项。 ``` Kernel hacking ---> Compile-time checks and compiler options ---> [*] Compile the kernel with debug info [*] Compile the kernel with frame pointers ``` 选择完毕之后，配置会保存在.config文件中。如果我们打开看，能看到这样的配置： ``` CONFIG_FRAME_POINTER=y CONFIG_DEBUG_INFO=y ``` 接下来，我们编译内核。 ``` nohup make -j8 > make1.log 2>&1 & nohup make modules_install > make2.log 2>&1 & nohup make install > make3.log 2>&1 & ``` 这是一个非常长的过程，请耐心等待，可能需要数个小时，因而这里用了nohup，你可以去干别的事情。 当编译完毕之后，grub和menu.lst都会发生改变。例如，grub.conf里面会多一个新内核的项。 ``` submenu 'Advanced options for Ubuntu' $menuentry_id_option 'gnulinux-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' { menuentry 'Ubuntu, with Linux 4.15.18' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-4.15.18-advanced-470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9' { recordfail load_video gfxmode $linux_gfx_mode insmod gzio if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi insmod part_gpt insmod ext2 if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then search --no-floppy --fs-uuid --set=root 470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 else search --no-floppy --fs-uuid --set=root 470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 fi echo 'Loading Linux 4.15.18 ...' linux /boot/vmlinuz-4.15.18 root=UUID=470f3a42-7a97-4b9d-aaa0-26deb3d234f9 ro console=ttyS0 maybe-ubiquity echo 'Loading initial ramdisk ...' initrd /boot/initrd.img-4.15.18 } ``` 例如，menu.lst也多了新的内核的项。 ``` title Ubuntu 18.04.2 LTS, kernel 4.15.18 root (hd0) kernel /boot/vmlinuz-4.15.18 root=/dev/hda1 ro console=hvc0 console=ttyS0 initrd /boot/initrd.img-4.15.18 ``` 别忘了，这里面都要加上console=ttyS0。 下面，我们要做的就是重启虚拟机。进入的时候，会出现GRUB界面。我们选择Ubuntu高级选项，然后选择第一项进去，通过uname命令，我们就进入了新的内核。 ``` # uname -a Linux popsuper 4.15.18 #1 SMP Sat Jul 27 13:43:42 UTC 2019 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux ``` 进入新的系统后，我们写一个测试程序。 ``` #include #include #include #include #include #include int main () { char * words = "I am liuchao from user mode."; int ret; ret = syscall(333, words, strlen(words)+1); printf("return %d from kernel mode.\n", ret); return 0; } ``` 然后，我们能利用gcc编译器编译后运行。如果我们查看日志/var/log/syslog，就能够看到里面打印出来下面的日志，这说明我们的系统调用已经添加成功了。 ``` Aug 1 06:33:12 popsuper kernel: [ 2048.873393] User Mode says I am liuchao from user mode. to the Kernel Mode! ``` ## 总结时刻 这一节是一节实战课，我们创建了一台虚拟机，在里面下载源代码，尝试修改了Linux内核，添加了一个自己的系统调用，并且进行了编译并安装了新内核。如果你按照这个过程做下来，你会惊喜地发现，原来令我们敬畏的内核，也是能够加以干预，为我而用的呢。没错，这就是你开始逐渐掌握内核的重要一步。 ## 课堂练习 这一节的课堂练习，希望你能够按照整个过程，一步一步操作下来。毕竟看懂不算懂，做出来才算入门啊。 欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。