定制一个最小的linux 系统

内核5.x 用户名密码 root/root

一个操作系统宏观上分为两个部分，kernel和shell（核和壳），kernel就是操作系统内核，shell在kernel之上，提供与用户交互的界面，包括CLI（命令行界面）和GUI（图形用户界面）。除此之外还有基础运行库（如c库、posix）等基础软件。只有kernel，不能算作一个操作系统，因为什么也做不了。本文通过linux内核和busybox工具集，制作一个最简单的linux系统。

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背景熟悉

linux开机启动流程

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环境准备

安装必要的软件包

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install build-essential git kconfig-frontends flex bison libelf-dev bc libssl-dev qemu qemu-system-x86

开始

编译 linux-kernel

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.138.tar.gz

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# 官方这个这个拉下来大概5g多
git clone https://github.com/torvalds/linux.git

#或者国内的镜像
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git

git checkout

# 建议直接从 https://www.kernel.org/ 下载 `tar -xvJf linux-6.15.7.tar.xz`
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-6.15.7.tar.gz

#使用x86_64架构的默认配置文件来生成内核的.config文件
make ARCH=x86_64 defconfig

# 也可使用 意思是我们编译内核的配置采用用当前环境一致的配置
cp -v /boot/config-$(uname -r) .config
make defconfig

make menuconfig

make bzImage -j

如果卡死，可能是内存过小，可单线程编译

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这里通过kernel源码可以熟悉简单的启动流程如下图

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编译busybox

获取并编译busybox

git clone https://github.com/mirror/busybox.git

git checkout 1_36_stable

make menuconfig

启用静态链接：Busybox Settings -> Build Options -> Build BusyBox as a static binary (no shared libs)。

make -j$(nproc)
make install

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这里通过busybox源码看到简单的启动流程：

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init_main() (init/init.c)也即busybox中的init进程入口。init上承kernel，下起用户空间进程，配置了整个用户空间工作环境。

首先初始化串口、环境变量等；parse_inittab() 解析/etc/inittab文件；初始化信号处理函数；然后run_actions() 依次执行SYSINIT、WAIT、ONCE选项；最后在while(1)中监控RESPAWN|ASKFIRST选项。

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制作 initramfs

bin sbin  usr dev  etc  init  proc    sys  

cd busybox/_install
rm linuxrc  # 在 BusyBox 引导为 init 时，它默认会尝试执行 linuxrc。我们通常希望使用自己的 init 脚本。
mkdir -p  etc/init.d

# 下面这个如不复制，可以在init之前切换到用户态sysint时候创建
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

# echo "::sysinit:/bin/sh" > etc/inittab

编辑 etc/init.d/init文件

#!/bin/busybox sh

export PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

# 检查是否为 PID 1
if [ "$$" -ne 1 ]; then
    echo "Error: This script can only be run as the init process (PID 1)." >&2
    exit 1
fi

[ -d /proc ] || mkdir -p /proc  
[ -d /dev  ] || mkdir -p /dev
[ -d /sys  ] || mkdir -p /sys
[ -d /tmp  ] || mkdir -p /tmp
[ -d /var/run ] || mkdir -p /var/run
[ -d /root ] || mkdir -p /root

# 限制文件执行、SUID 和设备文件的创建权限。
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs -o noexec,nosuid,nodev sysfs /sys

# 用 /sbin/init代替当前进程，将 /sbin/init 的输入、输出和错误流全部重定向到 /dev/console
exec /sbin/init < /dev/console > /dev/console 2>&1

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编辑etc/inittab文件

::sysinit:/etc/init.d/sysinit
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/sbin/poweroff
::restart:/sbin/init

# tty1::respawn:/bin/sh
# tty2::respawn:/bin/sh
# ttyS0::respawn:/bin/sh

# 可选，可配置用户权限
tty1::respawn:/sbin/getty tty1
tty2::respawn:/sbin/getty  tty2
ttyS0::respawn:/sbin/getty -L ttyS0 115200 vt100

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/etc/inittab中不同action类型有着先后顺序：SYSINIT > WAIT > ONCE > RESPAWN | ASKFIRST。

/etc/inittab解析
nittab文件中一行表示一个action。Format for each entry: :::

id表示process使用的tty设备；runlevels在busybox中不支持；action是sysinit、wait、once、respawn、askfirst中的一种；process是命令及其参数。

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编辑 etc/init.d/sysinit

#!/bin/sh

echo "Tiny linux Starting sysinit..."

# 创建必要的设备节点
create_device_nodes() {
    echo "Creating essential device nodes..."
    mknod -m 666 /dev/null c 1 3
    mknod -m 600 /dev/console c 5 1
    mknod -m 666 /dev/tty c 5 0

    for i in 0 1 2; do
        mknod -m 620 /dev/tty$i c 4 $i
    done

    mknod -m 620 /dev/ttyS0 c 4 64
}

# 挂载必要的文件系统
mount_filesystems() {
    echo "Mounting virtual filesystems..."
    mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
    mount -t proc proc /proc
    mount -t sysfs sysfs /sys
    mount -t devpts devpts /dev/pts
    mount -t tmpfs tmpfs /dev/shm
}

# 配置 mdev
setup_mdev() {
    echo "Setting up mdev..."
    mdev -s
}

# 创建标准流链接
create_standard_links() {
    echo "Creating standard stream links..."
    ln -snf /proc/self/fd /dev/fd
    ln -snf fd/0 /dev/stdin
    ln -snf fd/1 /dev/stdout
    ln -snf fd/2 /dev/stderr
    [ -e /proc/kcore ] && ln -snf /proc/kcore /dev/core
}

# 加载内核参数
load_sysctl() {
    if [ -e /etc/sysctl.conf ]; then
        echo "Loading sysctl settings..."
        sysctl -p /etc/sysctl.conf
    fi
}

# 启动 acpid 服务, 管理电源按钮、睡眠等 ACPI 相关事件。
start_acpid() {
    if [ -e /proc/acpi ]; then
        echo "Starting acpid..."
        acpid &>/dev/null
    fi
}

# 执行所有初始化步骤
main() {
    create_device_nodes
    mount_filesystems
    setup_mdev
    create_standard_links
    load_sysctl
    start_acpid
    echo "Sysinit completed."
}

main

根目录init链接到etc/init.d/sysinit

ln -s etc/init.d/init init

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可选，配置用户权限，设置用户账号密码

#!/bin/sh

# 创建 /etc/passwd 文件
echo "root:x:0:0:root:/root:/bin/sh" > etc/passwd

# 替换yourpassword为自己的密码， 使用 openssl 生成加密密码
echo "root:$(openssl passwd -6 root):0:0:99999:7:::" > etc/shadow
# sudo bash -c 'echo "root:$(openssl passwd -6 root):0:0:99999:7:::" > etc/shadow'


# 设置权限
chmod 644 etc/passwd && chmod 600 etc/shadow

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最后的一些权限准备

sudo chmod +x etc/init.d/init
sudo chmod +x etc/init.d/sysinit

cd ..
sudo chown -R root:root _install/

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最终文件目录结构如下

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生成最终需要的 initramfs.cpio.gz

find . | cpio -o --format=newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

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准备磁盘和grub

# 创建虚拟磁盘
dd if=/dev/zero of=tiny-linux.img bs=1M count=32


# 创建分区表和分区
sudo losetup -Pf --show tiny-linux.img
fdisk  /dev/loopX
 n p     w
sync

# 格式化分区
sudo mkfs.ext4 /dev/loopXp1

# 挂载 
mkdir -p tmpimg
sudo mount /dev/loopXp1 tmpimg/

# 拷贝内核文件和 initramfs
sudo cp linux-5.15.175/arch/x86_64/boot/bzImage tmpimg/
sudo cp busybox/initramfs.cpio.gz tmpimg/

# 安装grub
sudo grub-install --boot-directory=tmpimg/boot/ --target=i386-pc --modules=part_msdos tiny-linux.img

编辑grub2 配置 tmpimg/boot/grub/grub.cfg

set default=0
set timeout=5

menuentry 'CA Tiny Linux' {
    linux /bzImage  console=tty0 console=ttyS0,115200  
    initrd /initramfs.cpio.gz
}

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卸载

# 安全卸载，使用sync命令确保所有缓存的写入操作都已被写入磁盘
sync
umount tmpimg

# 删除之前创建的循环设备
losetup -d /dev/loopx

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运行

# -nographic 没有图形界面时候使用，可以在终端显示
qemu-system-x86_64 -hda tiny-linux.img -nographic

# 如果希望在vmware中运行，可以转换磁盘格式，添加到虚拟磁盘
qemu-img convert -f raw -O vmdk tiny-linux.img tiny-linux.img.vmdk

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