如何构建用户态 Linux

“用户态 Linux” 是什么?它是一种可以在用户态运行的 Linux 内核。(用户态是什么，这里就不解释了)

它有什么用?它用于内核隔离、替代 QEMU/Bochs 来调试 Linux 内核，也可以在低性能设备上代替 KVM 进行虚拟化。

但它也存在一些缺陷，比如不支持 ARM 架构以及多核系统。

编译 Linux 内核

首先通过 git 下载 Linux 内核源代码：

git clone --depth 1 https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git

(这里使用了清华大学的镜像站，kernel.org 也是可以的。)

然后采用如下步骤编译它：

    $ cd linux
    $ export ARCH=um # 非常重要 设置架构为用户态
    $ make defcongig
    $ make -j8
     LD      .tmp_vmlinux.kallsyms1
     KSYMS   .tmp_vmlinux.kallsyms1.S
     AS      .tmp_vmlinux.kallsyms1.S
     LD      .tmp_vmlinux.kallsyms2
     KSYMS   .tmp_vmlinux.kallsyms2.S
     AS      .tmp_vmlinux.kallsyms2.S
     LD      vmlinux
     SYSMAP  System.map
     LINK linux
     MODPOST modules-only.symvers
     GEN     Module.symvers

经过漫长的编译之后，你获得了一个 vmlinux 文件。它和正常的 Linux 内核的区别是，这个 vmlinux 可以在用户态运行。

准备根文件系统

先别着急启动，先来准备内核所使用的根文件系统。

以下内容以 Debian Linux 为例。

首先安装 debootstrap 软件包：

sudo apt install debootstrap

以下命令皆需要 root 权限，先切换到 root 用户：

$ sudo su

然后构建根文件系统，存放在 rootfs 文件中：

    # dd if=/dev/zero of=rootfs seek=2G # 创建一个 2GB 大小的空 rootfs 文件
     2000000000字节（2 GB，2 GB）已复制，0.137825 s，570 MB/s`
    # mkfs.ext4 rootfs # 将其格式化为 ext4 格式
     mke2fs 1.46.5 (30-Dec-2021)
     Discarding device blocks: done                            
     Creating filesystem with 76748 1k blocks and 19200 inodes
     Filesystem UUID: 9dc7f1f6-8b16-4c64-9e22-94ede327c532
     Superblock backups stored on blocks: 
        8193, 24577, 40961, 57345, 73729
    Allocating group tables: done                            
    Writing inode tables: done                            
    Creating journal (4096 blocks): done
    Writing superblocks and filesystem accounting information: done 

然后挂载 rootfs 到 /mnt 下：

# mount rootfs /mnt

在其中创建 Debian Linux 的根文件系统(/)：

    # cd /mnt
    # debootstrap sid ./ https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/debian
     I: Configuring python-central... 
     I: Configuring ubuntu-minimal... 
     I: Configuring libc-bin... 
     I: Configuring initramfs-tools... 
     I: Base system installed successfully.

通过 chroot 将其改变为根目录：

# chroot ./

设置 root 密码：

    # passwd 
     New password: 
     Retype new password: 

然后退出 chroot 环境，并卸载：

    # exit # 退出 chroot 环境
    # cd ..
    # umount /mnt
    # exit # 退出 sudo 环境

设置 rootfs 的所有权为普通用户：

$ sudo chown `whoami` rootfs

这样，这个用户态 Linux 的根文件系统就准备好了。

测试用户态 Linux

然后就可以用这个内核启动了，只需要一行命令：

$ screen ./vmlinux mem=1G root=/dev/root rootfstype=hostfs hostfs=./rootfs 
con=null con0=null,fd:2 con1=fd:0,fd:1

启动后，使用你前面设置的 root 用户/密码登录，便可以进入到用户态 Linux 容器中了。

有别于 Docker，这个容器的内核和宿主的内核是隔离的，可以使用这个容器作为一个调试内核的工具，如：

    echo 1 > /proc/sys/kernel/sysrq
    echo c > /proc/sysrq-trigger

即可手动触发一个“内核恐慌Kernel Panic”错误。

作者简介：calvinlin：一个普通的深圳初中生。