Linux Kernel 编译安装

[TOC]

1. 什么是Linux Kernel

Linux内核是一种开源的类Unix操作系统宏内核。实际上就是系统上面的一个文件，这个文件文件包含了硬件的检测程序和驱动模块，负责了整个硬件的驱动，以及各种系统所需要的内核功能，是操作系统的最底层最核心的部分
在Linux的启动流程中，当系统读取完BIOS并加载MBR内的启动引导程序后，就加载内核文件到内存中，然后系统依据该文件来检测并驱动各种硬件资源，挂载根目录，调用 $systemd 来启动操作系统所需要的服务
内核文件一般情况下置于 /boot/ 目录下，一个Linux系统可以存在多个内核，但是同一时间只能运行一个

2. 什么是Linux Kernel Module

为了避免硬件的快速迭代而带来的内核支持不足的问题，Linux Kernel将一些不常用 / 不普遍的类似驱动的东西做成了内核模块，使之可以在系统运行中装载，也可以后期再不更换内核的情况下自行添加
一般Module文件都位于 /lib/modules/$(uname -r)/kernel文件目录下面

3. Linux Kernel 目录用途

arch : 与硬件平台相关的项目，大部分与CPU相关，例如架构 / 虚拟化支持
block : 与块设备相关的设置数据，块数据一般指大容量储存媒介，还包括是否支持 ext3 文件系统
crypto : 内核支持的加密技术，像 md5 / md4
Documentation : 说明文件，类似于内核附带的官方文档吧
drivers : 硬件驱动程序
firmware : 比较老的硬件的固件文件
fs : 内核所支持的文件系统，像 vfat / reiserfs / nfs
include : 可以让其他程序调用的一些头文件
init : 内核的初始化功能，包括挂载与 init 程序的调用
ipc ：定义Linux操作系统内部各程序间的通信
kernel : 定义内核的进程、内核状态、线程、进程的调度、进程的信号等
lib : 函数库
mm : 与内存相关的各项数据，也包括了 swap 和虚拟内存
net : 与网络相关的各项协议数据，也包括 net / ipv4 / netfilter 等防火墙模块
security : 包括 SELinux 等在内的安全设置
sound : 和音效相关的模块
virt : 与虚拟化有关的信息，一般是支持 KVM 虚拟技术

4. 几个重要的内核文件概述

.config : 使用 make menuconfig 命令，经过个性化设置后生成的文件，决定了内核各个功能的编译与否，与编译的方式（编译进入内核还是编译成模块），查看该文件的使用建议使用 more 命令，因为，这个文件有九千多行

vmlinuz & vmlinux : vm 是 Virtual Memory 的缩写，意味这两个东西都是可以引导的内核，Linux支持使用硬盘空间作为虚拟内存
- vmlinuz : Virtual Memory LINUx gZip = Compressed Linux kernel Executable
  - vmlinuz 是可执行的Linux内核，vmlinuz 的建立有两种方式
    - 编译时使用 make zImage 创建， zImage 的存在是为了兼容小内存设备
    - 编译时使用 make bzImage 创建， bzimage 是压缩的内核镜像，此处的 bzImage 并非使用 bzip2 压缩，其 bz 前缀的含义为 big zImage ，其与 zImage 相同，都是使用 gzip 压缩的
  - bzImage / zImage 不单单是压缩文件这么简单，其文件头部都有 gzip 解压缩代码，所以用户不应该使用 gunzip / gzip -dc 来解压缩 vmlinuz 。在内核文件中包含着一个专用的 gzip 来处理解压缩内核并引导的过程
- vmlinux : Virtual Memory LINUX = Non-compressed Linux Kernel Executable
  - vmlinux 是未经压缩的内核，经过特殊压缩后可以变为 vmlinuz
vmlinux.bin : 该文件除了是可引导的原生二进制文件格式外，与 vmlinux 相同
initrd.img : initrd,img 是 inttial ramdisk 的缩写。 initrd 一般用于临时性的引导硬件到实际内核 vmlinuz 能够接管并继续引导的状态。
System.map : 该文件是一个特定内核的内核符号表，由 nm vmlinux 产生并且不相关的符号会被滤除，内核本身可能并不直接使用 System.map 但是其他程序例如说 ps / lsof / klogd 等需要使用正确的 System.map 文件
What is the difference between the following kernel Makefile terms: vmLinux, vmlinuz, vmlinux.bin, zimage & bzimage?
Anatomy of the initrd and vmlinuz

5. 内核的编译

5.1. 内核的下载

5.1.1. 获取内核文件的渠道

Linux Kernel有着自己的官方网站找到所有Linux发布的内核版本
由于Linux Kernel的服务器位于国外，所以载国内的用户体验可能不好，甚至无法下载，为此，几大机构建立了Linux Kernel的官方镜像库，定时与官方仓库同步，常用的几个Mirror如下

5.1.2. 将内核文件下载到Linux

如果是虚拟机系统的话，一种方式是直接在Linux中下载内核压缩包，另一种就是下载 / 复制该压缩包到宿主机，再通过介质或者vmtool的方式拷贝到Linux，笔记采用第一种方式记录，欲编译的内核版本号为5.0
打开一个Terminal，键入命令获取内核压缩包，这里使用阿里云的CDN镜像
```
wget https://mirrors.aliyun.com/linux-kernel/v5.x/linux-5.0.tar.gz
```
将该内核压缩包文件拷贝复制到 /usr/src/ 目录下
```
cp ./linux-5.0.tar.gz /usr/src/
```
切换工作目录到 /usr/src/
```
cd /usr/src/
```
解压Linux Kernel压缩包文件
```
tar xzvf ./linux-5.0.tar.gz
```
[可选] 删除该目录下暂时无用的tar压缩包文件
```
rm -rf ./linux-5.0.tar.gz
```
最后，工作文件夹下的文件应显示下述截图的红色划线部分，其余文件目录可能与截图不同

5.2. 内核的配置

首先应进入欲编译内核的文件目录下
```
cd /usr/src/linux-5.0/
```
如果我们并不清楚该内核源码是否经过了编译，产生了目标文件，那么我们首先要将文件还原到最初始的版本
```
make mrproper
```
上一条命令也会清除掉可能存在的配置文件，如果你并非第一次编译，并且不想重新生成配置文件，那么可以退而执行
```
make clean
```
下面要生成欲编译内核的配置文件 .config，这里我使用的是 menuconfig
```
make menuconfig
```

menuconfig 的交互还是很简单的，其手册在上方截图 1 区有官方文档
- 左右箭头表示对 3 区域的操作
- 上下箭头表示对 2 区域的操作，2 区域的异色条选中行若存在 ---> 表示当前选中项有子选项可以设置，此时若 3 区域异色条位于 select 区域，可以回车进入子选项
- 当异色条所在行前部有 [] / <> 符号存在时，表明当前项可以选中 / 不选中，空格键切换状态
- 可选项显示为 [*] / <*> 时，表示该项编译进内核，如显示为 <M> 则表示该项作为模块被编译
- Esc 连续按两次表示从当前菜单退回到上一层
- 所有配置选项都设置完毕后，应将 3 区域异色条移动至 Save ，保存当前文件到 .config，保存成文件之后，就可以退出该界面了
我的内核配置选择项
- 选中：`Enable loadable module support -> Forced module loading & Force module unloading
- 选中：`FileSystem->DOS/FAT/NT FileSystems -> NTFS write support
- [可选] ：General setup -> Local version - append to kernel release 追加字符 -fancyking
前面的操作做完后，如果保存成功，linux-5.0/ 下应该如图所示

5.3. 内核文件的编译安装

5.3.0 替换软件安装源 [可选] / [强烈建议]

因为Linux默认的官方安装源位于国外，所有有时候下载速度很慢，或者根本连接不上，这里建议更换成国内的镜像软件源
各大开源镜像站的 help 页面大都会告诉用户应该如何更改文件来使用户的系统使用该镜像，类似于USTC Mirror，这里省去这一部分，代替为记录一键换源工具
下列指令对 Ubuntu 有效，其余系统未经测试，下述语句完成后，会使用阿里的镜像仓库
```
wget git.io/superupdate.sh && \
chmod +x superupdate.sh && \
bash superupdate.sh aliyun
```

5.3.1. 简易版内核编译安装(直接替换本机内核)

首先，应先安装编译安装内核所需要的依赖，这里我经过实验，Ubuntu 16.04 / 14.04 / 18.04 基本需要安装下述依赖

apt install libc6-dev \
            make \
            dpkg-dev \
            linux-libc-dev \
            libssl-dev kernel-package \
            libncurses5-dev \
            fakeroot \
            bc xz-utils \
            ca-certificates \
            ncurses-dev \
            libncurses5-dev \
            bison \
            flex \
            libelf-dev -y --fix-missing && \
apt upgrade -y && \
apt autoclean -y && \
apt clean -y && \
apt autoremove --purge -y

执行make，使生成内核模块 / vmlinuz / initrd.img / System.map 文件
```
make -j 4
```

执行上述语句时应注意， -j 选项的意思是，允许参与编译的内核数目，该选项不应该大于虚拟机拥有的内核数目，如果不使用 -j 选项意味单内核编译，自然速度会比四核慢些。缺省值为不限制，如果资源紧张有可能出现死机 / 负载极高的情况，所以尽量填写的话就正确填写，否则可能像下面一样

该语句执行成功的标志是在没有 Error 的情况下结束运行，类似显示下述信息

执行make modules_install 和 make install

make modules_install -j 4
make install -j 4

这一步操作会复制模块文件到 /lib/modules/ 目录下，复制 config / vmlinuxz / initrd.img / System.map 文件到 /boot/ 目录，并且会自动更新 grub 引导项

语句执行成功的标志是在没有 Error 的情况下结束运行，类似显示下述信息

下图为 modules_install 的完成状态图

下图为 install 的完成状态图

执行完上述命令之后，grub应该会自动更新的，所以可以重启验证一下，我的显示如下

如果在重启过程中遇到了下图所示的报错，可以临时性的增加自己的内存，当引导进入系统之后，再把内存降下来也没事

至此，该方式的内存编译安装完成

5.3.2. 打包替换

先挖坑，以后再写

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