从源代码构建一个极简的Linux操作系统

现代生活环境中，各式各样的电子设备包围着我们每个人。但凡稍微复杂一点的设备，比如一台电视机、路由器或智能手机，它很有可能运行的就是Linux操作系统，这种想法一直在我脑海出现。

让我更加困惑的是，在这些设备或服务器上运行的Linux操作系统的内核居然都是由同一个源码构建而成的，这些源码被放在了一个叫做kernel.org网站的仓库中。

如此多样的设备上运行的操作系统都是由相同的源代码组合而成的！当然，这种说法有点片面，实际上内核通常由特定Linux发行版的开发人员以及特定设备的开发人员扩展和修改的，但内核中却有很多通用的源代码。

我一直想靠自己从源码开始构建一个Linux操作系统，但过程实在是太复杂，而且越做越乱，究其原因是我有很多没有掌握的领域。终于在某一时刻，我积累了足够的知识，现在我可以实现我的梦想了。因此，在这篇文章中，我将展示如何在计算机上从源码编译和运行一个极简的Linux。

虽然它不会具备所有的功能，但它拥有最重要的东西——命令行界面。相信我，在真正的计算机上获得一个可以工作的Linux命令行界面将是一种不可思议的体验。

令人惊讶的是，获得Linux命令行所需的最小集合只有两个文件：Linux内核文件和根目录文件系统初始镜像文件。显然，这需要一个引导装载程序来加载这两个文件并启动内核的运行，必要时还可以向它传递初始根目录文件系统的镜像和其他参数。

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极简Linux操作系统

为了能以某种方式使用此操作系统，你需要四个组件：

引导程序（Bootloader）：是一个特殊的程序，它允许处理器去执行位于操作系统内核文件中的机器指令。

内核（Kernel）：此程序的代码包含：

用于处理器可以使用的各种物理I/O设备（设备驱动程序）的抽象；
用于存储的数据结构的抽象（文件系统）；
程序指令（进程、线程）的时间分离抽象；
其他抽象。

由于内核的存在，应用程序的开发人员通常不关心计算机上安装了哪种显卡、键盘或硬盘。他们只编写与I/O设备、进程、文件、套接字等工作的代码。

初始根目录文件系统（Initial root filesystem）：此文件系统是必须的，以便内核能够在引导操作系统启动时加载所必须的文件。其中最重要的就是Linux内核模块，这些模块没有包含在内核文件中，而是用于进一步加载，以及在操作系统启动时创建第一个进程文件（init）。

操作系统内核接口的一组实用程序集：它允许我们使用在操作系统内核中发现的抽象。根据操作系统所运行的设备的复杂性和用途的不同，这个集合也有所不同。这些实用程序定义功能和用户接口。例如，路由器会有一个程序；手机会有另一个程序；个人电脑还会有一个程序。

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加载Linux操作系统

在不同的架构和计算机上，Linux操作系统的引导都可能不同，但对于x86架构的计算机，大多数情况下它引导是这样的：

电脑开机。
BIOS或UEFI在计算机上找到操作系统引导程序，并向其传输控制指令。
操作系统引导装载程序将Linux内核文件和初始文件系统镜像文件（initrd文件）加载到RAM中。
操作系统引导装载程序将控制传输到Linux操作系统内核。
操作系统内核执行初始化。
操作系统内核访问初始文件系统镜像中的文件（加载镜像）。
内核在初始文件系统中查找init文件，并基于该文件启动第一个用户进程。
init进程装载一个已经持久化的文件系统，继续初始化操作系统，从Linux文件系统的根目录转移到已装载的文件系统，并启动初始化所需的其他进程。

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Linux发行版

发行版是一个Linux内核以及安装在计算机或设备上的一组库、实用组件和程序。

目前，各种发行版在市场上流行。我们可以从DistroWatch[1]上查看这些清单。

现代的Linux发行版通常以ISO镜像的形式发布，并允许我们安装更新和额外的程序（包），但我们现在要做的是一个极简的发行版，因此对我们没什么意义。

关于如何从头开始构建Linux发行版的最完整的说明，可以参考这里[2]。构建Linux发行版是一个有趣的过程，可以让我们学习到很多新的东西，但它非常耗时，这意味着我们需要很大的意志力才能从头到尾完成。

我试图将创建分发套件的简化过程做到极致：我们不会挂载一个永久的文件系统，但作为一个init文件，我们将使用一个脚本文件，该脚本文件将执行最小初始化并启动sh （shell）。

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操作系统引导加载

多年来，Linux已经可以移植到许多硬件平台上。然而，每个平台的Linux引导都是不同的。对于x86可能有如下不同：

它会被用来引导BIOS或者UEFI吗？
BIOS或UEFI将在哪个存储设备上寻找引导程序（硬盘，闪存驱动器U盘，光驱，网络）？
如何标记硬盘或U盘（MBR或GPT）？
内核文件和带有初始根文件系统镜像的文件（称为initrd）位于什么媒介上，在哪种文件系统（FAT、NTFS、EXT、CDFS，等等）中？

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初始根文件系统的结构

初始的根文件系统包含Linux后续操作所需的最小量级的目录和文件。在我们的例子中，这些是bin、dev、proc和sys目录。bin目录包含了使用Linux内核的实用工具。

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实用程序包

极简版的Linux是一个内核和一组命令行实用程序包。内核和命令行实用程序由不同的程序员团队开发。

最常见的集合是：

GNU Core Utils；
BusyBox。

BusyBox结构简单，占用磁盘空间少，常用于嵌入式设备。为了简单起见，我们将使用这个。

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创建Linux构建环境

这听起来很矛盾，Linux通常被编译成Linux。要做到这一点，我们需要一个Linux操作系统，其中包含允许我们构建Linux内核的程序和一组用于构建的实用程序包。

例如，在Ubuntu 22.10上，我们需要安装以下软件包：make、build-essential、bc、bison、flex、libssl-dev、libelf-dev、wget、cpio、fdisk、extlinux、dosfstool和qemu-system-x86。

注意，对于其他版本的Linux系统，包的集合可能不同。

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在Ubuntu 22.10上构建极简Linux

安装所需的程序包。

$ mkdir -p simple-linux/build/sources

$ mkdir -p simple-linux/build/downloads

$ mkdir -p simple-linux/build/out

$ mkdir -p simple-linux/linux

$ sudo apt update

$ sudo apt install --yes make build-essential bc bison flex libssl-dev libelf-dev wget cpio fdisk extlinux dosfstools qemu-system-x86

从Linux Kernel上下载源码，再从Internet上下载BusyBox。

simple-linux/build

$ wget -P downloads https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.79.tar.xz

$ wget -P downloads https://busybox.net/downloads/busybox-1.35.0.tar.bz2

将压缩包解压为源码。

$ tar -xvf downloads/linux-5.15.79.tar.xz -C sources

$ tar -xjvf downloads/busybox-1.35.0.tar.bz2 -C sources

为Linux内核构建BusyBox的二进制文件。这个过程需要一些时间，大约10分钟或更多，所以耐心等待就好。

sources/busybox-1.35.0

$ make defconfig

$ make LDFLAGS=-static

$ cp busybox ../../out/

../linux-5.15.79

$ make defconfig

$ make -j8 ||

exit

$ cp arch/x86_64/boot/bzImage ~/simple-linux/linux/vmlinuz-5.15.79

创建init文件。

$ mkdir -p ~/simple-linux/build/initrd

~/simple-linux/build/initrd

$ vi init

除了vim编辑器，还可以使用其他的文本编辑器，例如getit。

init文件：

#! /bin/sh

mount -t sysfs sysfs /sys

mount -t proc proc /proc

mount -t devtmpfs udev /dev

sysctl -w kernel.printk=

"2 4 1 7"

/bin/sh

poweroff -f

创建目录和文件结构。

$ chmod 777 init

$ mkdir -p bin dev proc sys

bin

$ cp ~/simple-linux/build/out/busybox ./

for

prog

$(./busybox --list);

ln -s /bin/busybox

$prog

;

done

将该文件目录在initrd文件中，这是我们的cpio归档文件。

$ find . | cpio -o -H newc > ~/simple-linux/linux/initrd-busybox-1.35.0.img

从QEMU模拟器中启动镜像的制作。

~/simple-linux/linux

$ qemu-system-x86_64 -kernel vmlinuz-5.15.79 -initrd initrd-busybox-1.35.0.img -nographic -append

'console=ttyS0'

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为U盘创建一个引导镜像

如果我们想在真正的硬件上运行Linux，那么可能最简单的方法是创建一个镜像，放在引导驱动器上并启动它。在我看来，创建这样的镜像并从驱动器启动是最困难的过程，需要我们具备更高阶的知识。

创建镜像时，需要做以下几个决定：

哪个会启动引导（BIOS或UEFI）？
将使用哪个驱动器（光盘驱动器、U盘还是硬盘驱动器）？
如何对驱动器（MBR、GPT）进行分区？
使用哪个引导程序？
将使用什么文件系统，Linux和引导加载程序文件将放在哪里？

我用了一个安装了MBR和EXTLINUX引导装载程序的U盘，文件放在了一个FAT32分区中。BIOS为我启动了引导过程（如果你的计算机有UEFI BIOS，则为选择Legacy boot选项）。

创建可引导U盘镜像的方法如下：

创建一个镜像文件。

$ dd if=/dev/zero of=boot-disk.img bs=1024K count=50

在镜像文件里创建一个启动分区。

$ echo"type=83,bootable" | sfdisk boot-disk.img

在boot-disk.img文件，给启动分区上设置回环设备。

$ losetup -D

$ LOOP_DEVICE=$(losetup -f)

$ losetup -o $(expr 512 \* 2048)

${LOOP_DEVICE}

boot-disk.img

给回环设备创建一个文件系统。

$ mkfs.vfat ${LOOP_DEVICE}

挂载回环设备。

$ mkdir -p /mnt/os

$ mount -t auto

${LOOP_DEVICE}

/mnt/os

在boot-disk.img文件里，把Linux内核文件和initrd文件拷贝到第一个分区。

$ cp vmlinuz-5.15.79 initrd-busybox-1.35.0.img /mnt/os

在boot-disk.img文件里，将引导程序EXTLINUX放进来。

$ mkdir -p /mnt/os/boot

$ extlinux --install /mnt/os/boot

为引导程序创建配置文件，这样我们可以指定到底需要加载什么。

echo"DEFAULT linux"

>> /mnt/os/boot/syslinux.cfg

echo" SAY Booting Simple Linux via SYSLINUX"

>> /mnt/os/boot/syslinux.cfg

echo" LABEL linux"

>> /mnt/os/boot/syslinux.cfg

echo" KERNEL /vmlinuz-5.15.79"

>> /mnt/os/boot/syslinux.cfg

echo" APPEND initrd=/initrd-busybox-1.35.0.img nomodeset"

>> /mnt/os/boot/syslinux.cfg

卸载回环设备。

$ umount /mnt/os

$ losetup -D

在boot-disk.img文件中的硬盘开头部分，安装MBR引导加载器。

$ dd if=/usr/lib/syslinux/mbr/mbr.bin of=boot-disk.img bs=440 count=1 conv=notrunc

boot-disk.img文件将会包含U盘的引导镜像。

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使用Docker构建Linux

上述方法包含许多命令和参数；敲这么多代码很容易出错。我们可以将命令组合成bash脚本，为了能够在Windows 10或11操作系统上构建Linux，建议使用Docker Desktop。

Docker的本质如下：

在Dockerfile中，描述程序或脚本的基础环境结构。
使用Docker实用工具，基于Dockerfile，以特定格式创建该环境的镜像。
使用相同的工具，可以启动基于镜像的程序或脚本实例，这些实例运行在隔离的环境中，在Docker术语中称为Docker容器。
创建好的镜像可以存储在存镜像仓库中并进行复用。由同一个镜像创建的Docker容器是可以在其他计算机上同样运行。
Dockerfile易于阅读和学习，也易于发布。

下面是Dockerfile的内容：

FROM ubuntu:22.10

RUN apt update && apt install --yes make build-essential bc bison flex libssl-dev libelf-dev wget

RUN apt install --yes cpio fdisk extlinux dosfstools qemu-system-x86

RUN apt install --yes vim

ARG APP=/app

ARG LINUX_DIR=

$APP

/linux

ARG FILES_DIR=

$APP

/files

ARG SCRIPTS_DIR=

$APP

/scripts

ENV BUILD_DIR=

$APP

/build

ENV LINUX_DIR=

$LINUX_DIR

ENV FILES_DIR=

$FILES_DIR

ENV LINUX_VER=5.15.79

ENV BUSYBOX_VER=1.35.0

ENV BASH_ENV=

"$SCRIPTS_DIR/bash-env/env"

COPY ./scripts

$APP

/scripts

COPY ./files

$APP

/files

RUN mkdir -p

$LINUX_DIR

RUN ln -s

$APP

/scripts/start-linux.sh /usr/bin/start &&\

ln -s

$APP

/scripts/build-linux.sh /usr/bin/build &&\

ln -s

$APP

/scripts/build-image.sh /usr/bin/image

WORKDIR

$APP

/scripts

CMD build

让我们快速看一下Dockerfile的主要命令：

The FROM command是最重要的，它指定了我们的Linux构建镜像将基于哪个系统镜像。在本例，我们是Ubuntu 22.10。
The RUN command在创建的镜像中运行命令。也就是说，RUN之后的命令将像运行Ubuntu 22. 10一样在命令行中执行。执行该命令后，系统镜像将发生变化，因为这些命令更改了其中的文件系统。
The COPY command将文件从操作系统的文件系统复制到创建的镜像中。与RUN类似，它也会修改镜像中的文件系统。
The ARG and ENV commands比较令人困惑，不知道我是否会说清楚，ARG是在创建镜像时使用的变量，而ENV是在基于该镜像创建容器时使用的变量，同时此变量在容器中是可见的。
The WORKDIR command指定启动基于我们的镜像创建的容器时，在哪个目录下工作。
The CMD command命令指定了容器启动时默认执行的命令。

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使用Docker运行和构建极简Linux

我们可以试验一下这个项目。在Windows上，最好在PowerShell中运行Docker。

创建一个Docker镜像。

$ git

clone

https://github.com/artyomsoft/simple-linux.git

simple-linux

$ docker build --build-arg APP -t simple-linux .

启动极简Linux。

$ mkdir linux

linux

$ docker run -v

${pwd}

:/app/linux --rm -it simple-linux build

创建的Linux目录将包含构建Llinux内核文件和初始的根系统镜像文件。

为U盘创建一个引导镜像。

注意，在Docker中需要使用--privileged选项，因为镜像脚本使用回环设备。

$ docker run -v ${pwd}:/app/linux –-privileged --rm -it simple-linux image

如果使用Linux下的Docker Desktop，Docker将需要使用sudo运行，并且需要使用${pwd}而不是$(pwd)。

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制作一个引导镜像到U盘

为U盘（linux-5.15.79-busybox-1.35.0-disk.img）创建的镜像文件可以使用Win32DiskImager写入U盘。

需要注意的是，在写入时，U盘上现有的数据会丢失！

在将镜像写入U盘后，重新启动计算机并选择从USB-HDD启动，即可以从刚创建的U盘启动。如果遇到问题，最可能的情况是，在此之前，需要在BIOS中选择“Legacy Boot”并禁用“Secure Boot”。

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在笔记本上运行Linux项目

安装Docker Desktop for Windows后，并在PowerShell中使用一个简单的命令来构建一个极简的Linux操作系统。

docker run -v ${pwd}:/app/linux --rm -it artyomsoft/simple-linux build

我们可以使用极简的Linux命令行，当退出时，我们可以在当前目录中看到一个Linux内核文件和一个initrd文件。

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结论

在这篇文章中，我尽量提供详细的说明，告诉大家如何从源码获得一个可以工作的Linux系统。

对一些人来说，这篇文章可能看起来很简单，不值得关注。但是，为了不被细节吓到，我没有深入讨论诸如BIOS、UEFI、文件系统、bootloader、glibc库、详细的操作系统引导过程、各种规范、动态和静态链接、Linux内核模块……我只是给出了让大家能够接受和理解的最基本的理论，事实上，这能让大家更快速地理解这个主题，而不是像我之前那也一点一点地收集所有信息。

我们其实几乎不会在未来使用这样的操作系统，这篇文章也只是希望大家能将Linux的抽象知识转化为对Linux更深的理解和一些小技能。

这篇文章有用吗？你是否尝试了从源代码构建一个极简的Linux操作系统？欢迎大家在评论中分享你的经验！