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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，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。
<domain type='qemu'>
<name>ubuntutest</name>
<uuid>0f0806ab-531d-6134-5def-c5b4955292aa</uuid>
<memory unit='GiB'>4</memory>
<currentMemory unit='GiB'>4</currentMemory>
<vcpu placement='static'>2</vcpu>
<os>
<type arch='x86_64' machine='pc-i440fx-trusty'>hvm</type>
<boot dev='hd'/>
</os>
<features>
<acpi/>
<apic/>
<pae/>
</features>
<clock offset='utc'/>
<on_poweroff>destroy</on_poweroff>
<on_reboot>restart</on_reboot>
<on_crash>restart</on_crash>
<devices>
<emulator>/usr/bin/qemu-system-x86_64</emulator>
<disk type='file' device='disk'>
<driver name='qemu' type='qcow2'/>
<source file='/mnt/vdc/ubuntutest.img'/>
<target dev='vda' bus='virtio'/>
</disk>
<controller type='pci' index='0' model='pci-root'/>
<interface type='bridge'>
<mac address='fa:16:3e:6e:89:ce'/>
<source bridge='br0'/>
<target dev='tap1'/>
<model type='virtio'/>
</interface>
<serial type='pty'>
<target port='0'/>
</serial>
<console type='pty'>
<target type='serial' port='0'/>
</console>
<graphics type='vnc' port='-1' autoport='yes' listen='0.0.0.0'>
<listen type='address' address='0.0.0.0'/>
</graphics>
<video>
<model type='cirrus'/>
</video>
</devices>
</domain>
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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <string.h>
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。
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