Rebuilding the Linux Kernel

Linux System Architecture#

GNU/Linux 系统包含用户程序、系统库、内核和硬件等层次；Linux 内核只是其中的核心部分。

glibc 位于用户空间。 它可以整理系统调用参数、封装内核服务，也提供排序、字符串处理等不必对应系统调用的功能。不能把“调用一个 C 库函数”一律等同于“进入一次内核”。

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用户程序
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   ↓ 调用库函数；需要内核服务时继续向下
3
glibc
4
   ↓ 系统调用
5
Linux 内核
6
   ↓ 由相应子系统和驱动处理
7
硬件

Linux Kernel Subsystems#

VFS 是统一的抽象与接口层。 ext2、FAT 等具体文件系统提供各自的实现，内核通过统一接口使用它们。

1
统一的文件操作
2
      ↓
3
     VFS
4
      ├─ ext2 等文件系统实现
5
      ├─ FAT 等文件系统实现
6
      └─ 其他符合接口的实现

Kernel Architecture#

Linux 采用单体内核（Monolithic Kernel）结构，同时支持模块化。 内核的主要组件在同一内核地址空间内协作，模块之间可以通过内核内部接口和函数调用交互。

单体结构 ：内核的主要组件在同一内核地址空间内协作。 模块化设计 ：模块之间可以通过内核内部接口和函数调用交互。 可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）：在内核运行时可以动态加载和卸载的模块。

支持动态加载，并不会使加载后的代码自动变成用户程序。 内核模块运行在具有特权的内核态。

Characteristics of Kernel Development#

内核开发需要直接承担系统内部状态、资源和并发正确性的责任，错误的影响可能越过单个应用。

Kernel Image and Loadable Modules#

源码经过配置和编译，产生内核映像及相应模块；这些产物安装后，才具备被引导程序选择、装入的条件。

GRUB Configuration#

GRUB 是引导程序；它可以根据配置选择并加载不同内核。 它与前面的固件属于不同阶段。

Linux System Boot Process#

启动是分阶段建立运行条件的过程。 内核尚未运行时，先由已有的固件和引导代码找到、装入它；内核初始化之后，再建立用户空间的服务与交互环境。

传统流程如下：

1
上电
2
 ↓
3
BIOS 执行硬件自检、按启动顺序寻找设备
4
 ↓
5
执行启动记录及后续引导代码
6
 ↓
7
引导程序选择并装入内核映像
8
 ↓
9
解压内核 → 内核初始化
10
 ↓
11
建立 init 进程
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 ↓
13
读取配置、执行初始化脚本、启动服务
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 ↓
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建立终端 → 用户登录 → 启动 shell

BIOS, POST, and Boot Sequence#

基本输入输出系统（Basic Input/Output System，BIOS） 启动模型中的初始固件。上电后先执行这部分代码，进行上电自检（Power-On Self-Test，POST），检查硬件是否满足基本运行条件。

检查之后，固件按设定的**启动顺序（Boot Sequence）**尝试外部存储设备。排序决定哪个设备先被尝试，并不直接等同于选择某个内核版本。

Master Boot Record (MBR)#

传统磁盘启动模型中，设备的第一个扇区保存主引导记录（Master Boot Record，MBR），共 512 字节。

检查最后两个字节是否依次为 0x55、0xAA；符合该签名时继续尝试引导，否则尝试后续设备。

MBR 整体是 512 B，其中的分区表是 64 B。 MBR 的空间有限，作用是参与后续程序的定位和引导；完整内核映像放在另外的位置。

Partition Table and Active Partition#

分区表由四个条目组成，每个条目 16 字节。单个条目布局如下：

VBR, Extended Partitions, and Boot Loader#

三种相关情况：

MBR 对应整块磁盘的起始记录；VBR 对应某个分区的起始记录。 通过这些较小的记录和引导代码，逐步找到真正的内核映像。

The /boot Directory#

同一目录中同时保存两个内核版本：

1
/boot/
2
├─ config-3.2.0-3-amd64
3
├─ config-3.2.0-4-amd64
4
├─ grub/
5
├─ initrd.img-3.2.0-3-amd64
6
├─ initrd.img-3.2.0-4-amd64
7
├─ System.map-3.2.0-3-amd64
8
├─ System.map-3.2.0-4-amd64
9
├─ vmlinuz-3.2.0-3-amd64
10
└─ vmlinuz-3.2.0-4-amd64

新内核安装后，旧内核与其相关文件可以仍然存在。

1
固件与引导代码先工作
2
          ↓
3
引导程序装入内核映像及必要的启动辅助内容
4
          ↓
5
内核建立早期执行环境，获得所需驱动和文件系统支持
6
          ↓
7
访问并挂载真正的根文件系统
8
          ↓
9
继续建立正常运行环境

User-Space Initialization#

内核能执行，并不等于整个用户环境已经就绪。 系统还要配置主机信息、加载所需模块、启动服务、建立终端，并提供登录入口。

以 /sbin/init 为例，给出它的 进程标识 PID 为 1。随后通过这个用户空间初始化进程组织服务和登录环境。

Run Levels#

运行级别（Run Level） 用于选择一种系统运行与服务组合。

RHS 的运行级别例子：

Windows 安全模式类比级别 1 的维护用途：启动较少服务，以便检查和恢复。

1
id:2:initdefault:

1
id:5:initdefault:

Format of the inittab File#

记录格式为：

1
id:runlevel:action:process

八种动作：

1
::sysinit:/etc/init.d/rcS
2
::respawn:/sbin/getty 115200 ttyS0
3
::respawn:/control-module/bin/init
4
::restart:/sbin/init
5
::shutdown:/bin/umount -a -r

Tasks During the Init Stage#

两组目录风格的例子

一组例子使用 /etc/rc.d/。 首先执行系统初始化脚本，设置默认路径、主机名、网络信息等：

1
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

随后根据运行级别调用对应脚本，列出 0–6 共七条配置：

1
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
2
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
3
l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
4
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
5
l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
6
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
7
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

以 l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 为例：标识为 l3，适用于级别 3，执行 /etc/rc.d/rc 3，并等待该脚本结束。

另一组例子使用 /etc/rc0.d/ 到 /etc/rc6.d/。 不同目录对应不同级别，目录里的条目通过链接指向实际脚本。

1
S01motd           -> ../init.d/motd
2
S13rpcbind        -> ../init.d/rpcbind
3
S14nfs-common     -> ../init.d/nfs-common
4
S16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-support
5
S16rsyslog        -> ../init.d/rsyslog
6
S16sudo           -> ../init.d/sudo
7
S17apache2        -> ../init.d/apache2
8
S18acpid          -> ../init.d/acpid

1
采用相应运行级别
2
      ↓
3
处理 /etc/rc2.d/ 中的启动安排
4
      ↓
5
S17apache2 指向 /etc/init.d/apache2
6
      ↓
7
相应脚本启动 Apache 服务

User Login and Shell#

系统初始化完成后，还要给用户提供交互入口。

命令行路径为：

1
init 组织启动
2
      ↓
3
getty／mingetty 建立终端登录入口
4
      ↓
5
login 完成用户认证
6
      ↓
7
按用户配置启动 shell
8
      ↓
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用户输入命令

Power-On, BIOS, and Boot Loader#

寄存器进入复位状态，不等于所有寄存器都被统一清零。

Real Mode and Protected Mode Initialization#

先完成早期机器状态和必要环境的准备，后续 C 代码才能继续进行复杂的内核初始化。

start_kernel Initialization#

C 语言初始化归入 main.c 中的 start_kernel 阶段，主要工作包括：

1
固件和引导代码
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      ↓
3
setup.S → head.S / startup_32
4
      ↓
5
main.c / start_kernel 及后续内核初始化路径
6
      ↓
7
/sbin/init（PID 1，用户空间）
8
      ↓
9
初始化脚本 → 服务 → 登录入口 → shell