Linux 内核编译及添加系统调用

杭电操作系统实验 1 个人笔记

写给 Linux 命令行新人的一点人生经验：

  • 路径开头的「/」是根目录，「~」是用户家目录；注意分隔符也是斜杠「/」不是转义用的反斜杠；
  • 命令提示符为「#」指该命令以 root 权限执行；「$」则意味着以其他用户身份执行命令；
  • 想要知道命令的作用：看全名/描述，比如 whatis ls 会告诉你 ls 是 list directory contents；
  • 想要知道命令的用法/选项的含义：看文档（如 man cd）或者帮助（如 cd --help），本文中所有选项都已展开成全称。

系统环境#

建议使用带有快照功能的虚拟化平台，发行版采用 Arch Linux 是因为有官方文档可以参考。

创建虚拟机时其他选项建议跟随默认，主要建议以下几点：

  • 处理器直接拉满，尽量发挥物理机处理器全部性能；
  • 内存不低于 4G，实在不够的话建议后续分区时加一个 2G 的交换分区或者使用交换文件；
  • 磁盘不小于 50G，编译过程中会生成额外的文件，尽量确保预留足够的磁盘空间，以免后续调整麻烦。

安装 Arch Linux 请认真参阅官方文档的安装教程，以下只列出几点虚拟机中需要注意的：

  1. 分区表：虚拟机通常默认为 BIOS 启动方式，建议磁盘分区采用 MBR 分区表，如 cfdisk 工具中选择 dos 类型的分区表类型；
  2. 分区方案：全盘只分一个区来挂载根目录即可，注意该分区要设为 bootable（也可能是 boot flag 字样）；

镜像源#

最近 archiso 新加入了基于 Reflector 自动排序镜像的功能，不过我觉得还是手动设置一下比较稳妥。

国内镜像源里面清华、中科大知名度都太高了，负载高反倒体验差；建议使用北外源，也是清华提供的技术支持。

# cd /etc/pacman.d/
# mv --verbose mirrorlist{,.backup}
# host='https://mirrors.bfsu.edu.cn'
# echo "Server = $host/archlinux/\$repo/os/\$arch" > mirrorlist
# cat mirrorlist

检查 mirrorlist 文件内容已被修改成 Server = https://mirrors.bfsu.edu.cn/archlinux/$repo/os/$arch 即可。

软件包#

基础

# pacstrap /mnt base linux-lts grub dhcpcd
  • base 是 Arch Linux 必需的最基础包组；
  • linux-lts 是 Arch Linux 官方的长期支持版 Linux 内核，落笔时的版本是 5.4.73；
  • grub 是启动加载器，安装完成后一定不要忘记生成配置文件，别问我怎么记住的；
  • dhcpcd 是 DHCP 客户端，重启进入安装好的系统后执行 systemctl enable --now dhcpcd 即可永久开启虚拟机内的网络功能；

工具

# pacman --sync wget progress nano

这三个软件包分别是后续步骤中下载、查看解压进度、编辑源码用到的工具。

构建

# pacman --sync base-devel xmlto kmod inetutils bc libelf git

具体构建依赖应以 ArchWiki 为准：Kernels/Traditional compilation - ArchWiki

创建非特权用户#

准备工作不需要也不建议使用 root 权限操作，创建并切换至非特权用户，此处的 liolok 是我的 ID。

# useradd --create-home liolok
# passwd liolok
# su --login liolok

创建构建目录#

创建一个目录，存放内核源码，并进行编译及构建。

笔者使用的内核构建目录是 ~/kernel-build，其中「~」表示上一步骤创建的用户主目录 /home/liolok。

$ mkdir ~/kernel-build && cd ~/kernel-build # make and change to build directory

为什么不用 /usr/src/linux：

/usr/src 这个目录确实应用来存放各种源码，但应仅用作参考（reference），而不应进行构建。 （参见 Linux 文件系统层次结构标准）

内核编译#

下载解压#

Linux 内核官网：The Linux Kernel Archives

届时最新的 LTS 版本号是 5.4.74（2020.11.01），为了下载得更快推荐使用国内的镜像源（同上文，采用北外源）：

$ version='5.4.74'
$ host='https://mirrors.bfsu.edu.cn'

内核源码压缩包的文件格式是 .tar.xz（也有 .tar.gz），tar 是打包/归档工具，xz/gz 是压缩工具，至于 .tar.sign 文件是用于验证的签名。

使用 wget 进行下载和解压的方法：

$ pwd # you should be working under `~/kernael-build`
$ wget $host/kernel/v5.x/linux-$version.tar.{xz,sign}
$ unxz linux-$version.tar.xz & progress --monitor --pid $!

完成后构建目录下应该有解压之后的 .tar 文件和 .tar.sign 签名。

验证签名#

本步骤参考 Linux 内核官方文档：Using GnuPG to verify kernel signatures。

下载并导入两位内核主要作者的公匙，验证源码的完整性。如果下载到的文件本身就是损坏的，那编译成功也有可能工作不正常。

$ gpg --locate-keys [email protected] [email protected] # download and import keys
$ gpg --verify linux-$version.tar.sign # verify the .tar archive against the signature

不用管有没有 warning，输出中有「Good signature」字样即可，否则说明源码归档包已损坏。

此时建议为虚拟机创建一个快照，后面即将开始折腾。

解包源码#

现在只需将其解包到同名子目录即可得到内核的源代码：

$ tar --extract --file=linux-$version.tar & progress --monitor --pid $!
$ cd linux-$version

这个步骤我们得到了内核源码的未修改版，也可以做个快照。

清理编译历史#

每次编译前，都要确保目录下的编译历史已被清理干净，同样也不要指望刚解包得到的源码目录就一定是干净的。

$ make mrproper # ensure the kernel tree is absolutely clean

导入默认配置#

这里修改 local version 是为内核版本号追加一个后缀，虽然不是必需的，但也方便后续验证编译成果。

$ zcat /proc/config.gz > .config # use Arch Linux default configuration
$ make nconfig # append your custom local version string

配置 local version

输入自定义的版本后缀后，按 F6 保存配置、F9 退出。

编译内核#

使用 time 命令可为编译计时；使用 --jobs=X 选项可并行工作以加快编译，其中 X 为处理器线程数，对应虚拟机的配置。

$ time make --jobs=8 # compile kernel

编译内核模块#

注意！接下来的步骤均需要以 root 身份进行操作，使用 su 切换至 root 用户继续后续操作。

# make modules_install # compile kernel modules

安装内核#

可执行文件#

# cp --verbose ./arch/x86_64/boot/bzImage /boot/vmlinuz-linux-custom # 64-bit kernel

此处的 bzImage 和 vmlinuz-linux-custom 是编译内核及模块得到的压缩可执行文件；命名是约定俗成的，可以自行修改后缀如 vmlinuz-linux-blabla，后续步骤中还会用到。

初始化内存盘#

拷贝一份已有的 mkinitcpio preset 并加以修改，便可用于生成对应内核的 initramfs 镜像。

# cp --verbose /etc/mkinitcpio.d/linux-lts.preset /etc/mkinitcpio.d/linux-custom.preset # copy a preset

此处如果提示找不到 linux-lts.preset，可使用 ls /etc/mkinitcpio.d 查看实际文件名称。

# nano /etc/mkinitcpio.d/linux-custom.preset # modify copied preset

进行如下修改:

...
ALL_kver="/boot/vmlinuz-linux-custom"
...
default_image="/boot/initramfs-linux-custom.img"
...
fallback_image="/boot/initramfs-linux-custom-fallback.img"

最后，为内核生成 initramfs 镜像。

# mkinitcpio --preset linux-custom # generate initramfs images

符号表#

# cp --verbose ./System.map /boot/System.map-linux-custom
# ln --verbose --symbolic --force /boot/System.map-linux-custom /boot/System.map # create a symlink

更新引导配置#

至此，使用 ls /boot 检查，应已新增以下文件：

  • 可执行文件: vmlinuz-linux-custom
  • 初始化内存盘: initramfs-linux-custom.img 和 initramfs-linux-custom-fallback.img
  • 符号表: System.map-linux-custom 以及 System.map

让 GRUB 自动识别新安装到 /boot 的内核并将其添加至引导菜单：

# grub-mkconfig --output=/boot/grub/grub.cfg # update grub configuration

重启至新内核#

重启后在 GRUB 引导菜单的高级选项中选择新编译安装好的内核：

GRUB 菜单 1

GRUB 菜单 2

进入系统后使用 uname --release 命令可以看到之前自定义的版本号后缀，说明已切换至新内核：

验证内核

添加系统调用#

Adding a New System Call — The Linux Kernel documentation

在刚刚编译的官方内核的基础上，添加一个自定义的系统调用 setnice，功能如下：

  1. 按需修改指定进程的 nice 数值；
  2. 读取该进程的 nice 与优先级（priority）的数值。

为了添加系统调用，要对此前的官方内核源码进行微量的修改：

$ cd ~/kernel-build/linux-$version # kernel source code directory

绝大多数情况下，内核会透明地处理指针，从而向旧兼容 32 位的用户空间程序。 对于我们要添加的简单系统调用而言，不需要另外单独实现 32 位兼容版本。

函数原型#

系统调用的函数原型位于内核源码目录下的 ./include/linux/syscalls.h：

函数原型

系统调用表#

通用系统调用表

通用系统调用表位于 ./include/uapi/asm-generic/unistd.h， 按对应格式在列表末尾追加表项（注意也要相应的增加 __NR_syscalls 的值）：

通用系统调用表

x86 系统调用表

Adding a New System Call — The Linux Kernel documentation

x86 架构的系统调用表位于 ./arch/x86/entry/syscalls/syscall_{64,32}.tbl 两个文件中，按对应格式在列表末尾追加表项：

系统调用表（64 位）

（common 代表 64 位版本的系统调用向旧兼容 32 位用户空间程序；如前文所说，我们自定义的简单系统调用可以通过内核的透明处理自动兼容。）

系统调用表（32 位）

入口点#

系统调用的入口点通常位于 ./kernel/sys.c 文件中:

入口点

/*
 * Set/get nice value and get priority value of a process with given ID;
 * Set new nice value only if parameter set is true;
 * Get values of nice and priority of the process at last.
 */
SYSCALL_DEFINE5(setnice, pid_t, pid, bool, set, int, niceval,
                int __user *, nice, int __user *, prio)
{
    int tmp;
    struct task_struct *tsk = find_get_task_by_vpid(pid);
    if (tsk == NULL)
        return -ESRCH; // no such process

    if (set == true) // set new nice value
        set_user_nice(tsk, niceval);

    tmp = task_nice(tsk); // get nice value
    if (copy_to_user(nice, &tmp, sizeof(tmp)))
        return -EFAULT; // bad address

    tmp = task_prio(tsk); // get priority value
    if (copy_to_user(prio, &tmp, sizeof(tmp)))
        return -EFAULT; // bad address

    return 0;
}

宏定义 SYSCALL_DEFINE5()：

  • 数字取值范围为 [0, 6]，代表系统调用的参数个数；
  • 括号内第一个参数为系统调用名称，其后是成对出现的参数类型和参数名称。

如上图中的 SYSCALL_DEFINE1(sysinfo, struct sysinfo __user *, info) 声明了名为 sysinfo 的系统调用， 其第一个也是唯一的参数是类型为 struct sysinfo __user * 的 info。

而我们添加的系统调用 setnice 有五个参数：

  1. pid_t（int 的一个别名）类型的 pid（number）：进程 ID 数字；
  2. bool 类型的 set：为真则修改进程的 nice 数值
  3. int 类型的 niceval：用于修改进程 nice 数值；
  4. int __user * 类型的 nice：用于读取进程的 nice 数值；
  5. int __user * 类型的 prio：用于读取进程的优先级数值。

宏定义 __user 是用于内核静态分析的用户空间地址的注解，表示该指针不可直接解引用（dereference）。可以看到后面我们会用到 copy_to_user() 函数来安全地操作。（参见 StackOverflow 上的这个回答）

函数 find_get_task_by_vpid()：在当前 PID 命名空间中查找 PID 并得到其对应的 PCB。整个过程是一个临界区，使用了 RCU (Read-Copy-Update) 机制 来实现对 PID 命名空间中 PID 基数树的保护。

函数 set_user_nice() 粗略分析：

void set_user_nice(struct task_struct *p, long nice)
{
	bool queued, running; // 进程是否在运行队列中、进程是否正在运行
	int old_prio, delta; // 原优先级、变化量
	struct rq_flags rf;
	struct rq *rq;

    // 新的 nice 值与原值相同或者超出范围则直接返回
	if (task_nice(p) == nice || nice < MIN_NICE || nice > MAX_NICE)
		return;
	/*
	 * We have to be careful, if called from sys_setpriority(),
	 * the task might be in the middle of scheduling on another CPU.
	 */
	rq = task_rq_lock(p, &rf); // 获取进程所在的运行队列，并使用自旋锁保护运行队列以及进程的优先级继承数据结构
	update_rq_clock(rq); // 更新运行队列时钟？

	/*
	 * The RT priorities are set via sched_setscheduler(), but we still
	 * allow the 'normal' nice value to be set - but as expected
	 * it wont have any effect on scheduling until the task is
	 * SCHED_DEADLINE, SCHED_FIFO or SCHED_RR:
	 */
	if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p)) {
		p->static_prio = NICE_TO_PRIO(nice);
		goto out_unlock;
	}
	queued = task_on_rq_queued(p); // (p->on_rq == TASK_ON_RQ_QUEUED)
	running = task_current(rq, p); // (rq->curr == p)
	if (queued)
		dequeue_task(rq, p, DEQUEUE_SAVE | DEQUEUE_NOCLOCK); // 「伪」出列，尽量保留状态，不更新时钟
	if (running)
		put_prev_task(rq, p); // 暂停运行

	p->static_prio = NICE_TO_PRIO(nice); // ((nice) + DEFAULT_PRIO) == (120 + nice)
	set_load_weight(p, true);
	old_prio = p->prio;
	p->prio = effective_prio(p); // 对于常规进程，本质上是将前面算好的 static prio 赋值给 prio
	delta = p->prio - old_prio; // 计算优先级变化量

	if (queued) {
		enqueue_task(rq, p, ENQUEUE_RESTORE | ENQUEUE_NOCLOCK); // 修改完毕，「伪」入列
		/*
		 * If the task increased its priority or is running and
		 * lowered its priority, then reschedule its CPU:
		 */
		if (delta < 0 || (delta > 0 && task_running(rq, p))) // ？task_running() v.s. task_current()
			resched_curr(rq); // 重新调度当前运行队列
	}
	if (running)
		set_next_task(rq, p); // 继续运行
out_unlock:
	task_rq_unlock(rq, p, &rf);
}

分析优先级的头文件以及函数 task_nice() 和 task_prio() 可以总结出，对于常规进程而言：

  • nice 取值范围为 [-20, 19]；
  • static_prio、normal_prio、prio 三者是相同的；
  • 优先级取值范围是 [100, 139]，由默认值 120 和用户的 nice 值来调整；
  • 呈现给用户的优先级数值还要再减去实时进程优先级最大值 MAX_RT_PRIO 即 100，最终范围是 [0, 39]。

重新编译内核#

添加了系统调用的少量代码后，重新编译内核从而运行该系统调用；具体步骤应从清理编译历史开始。

测试系统调用#

编写一个用户态程序以测试新添加的系统调用，如笔者的 test_setnice.c 代码如下：

#include <sys/syscall.h> // syscall()
#include <unistd.h> // pid_t, getpid()
#include <stdio.h> // scanf(), printf()

#define __NR_setnice 436 // syscall name and number

int main(void)
{
    printf("[ Test program for syscall setnice ]\n");
    printf("-------------------------------------------\n");
    printf("Will test on this process itself by default\n");
    printf("or anohter process (need input process id).\n");
    printf("-------------------------------------------\n");
    printf(":: Test on this process itself? [y/n] ");

    pid_t pid; // pid number
    char choice;
    scanf("%c%*c", &choice); // choose process to test
    if (choice != 'y') {
        printf(":: Process ID: ");
        scanf("%d", &pid);
    }
    else {
        pid = getpid();
        printf("Process ID: %d\n", pid);
    }
    choice = 'g'; // get nice value at first time
    printf("Original values:\n");
    int count = 1;
    do {
        int err, niceval, nice, prio;
        int set = (choice != 'g');
        if (set) {
            printf(":: New nice [-20, 19]: ");
            scanf("%d%*c", &niceval);
        }
        if (err = syscall(__NR_setnice, pid, set, niceval, &nice, &prio)) {
            printf("Error %d, test terminated.\n", err);
            return err;
        }

        printf("Nice:     %d\n", nice);
        printf("Priority: %d\n", prio);
        printf(":: [%d] Set/get nice value? (Ctrl+C to exit) [s/g] ", count++);
    } while (scanf("%c%*c", &choice) != EOF);
}

在终端下编译运行并进行测试，结果如下：

测试系统调用

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