使用QEMU启动自编译Linux内核并挂载ext4实验盘

本文记录一套操作流程：使用~/workspace/Linux/linux里编出来的bzImage，通过QEMU启动一个最小initramfs环境，并以virtio块设备的方式外挂一块ext4格式的虚拟磁盘镜像，便于在虚拟机内进行ext4挂载、卸载与ftrace跟踪等操作。

环境约定（本仓库实际路径）

内核源码目录：~/workspace/Linux/linux
实验目录：~/workspace/Linux/qemu-lab
内核镜像：~/workspace/Linux/linux/arch/x86/boot/bzImage

1. 编译内核

如果编译时遇到以下两类常见阻塞，可以用对应方式处理：

1.1 gendwarfksyms缺host依赖（dwarf.h）

报错示例：fatal error: dwarf.h: 没有那个文件或目录

两种解决方式（二选一）：

安装依赖（推荐长期方案）：安装 libdw-dev 等
或禁用该特性（快速通过编译）：

bash 复制代码

cd ~/workspace/Linux/linux
./scripts/config --disable GENDWARFKSYMS
make olddefconfig

1.2 缺debian/canonical-certs.pem

报错示例：没有规则可制作目标 debian/canonical-certs.pem

处理方式（置空trusted/revocation keys）：

bash 复制代码

cd ~/workspace/Linux/linux
./scripts/config --set-str SYSTEM_TRUSTED_KEYS ""
./scripts/config --set-str SYSTEM_REVOCATION_KEYS ""
make olddefconfig

1.3 编译

bash 复制代码

cd ~/workspace/Linux/linux
make -j"$(nproc)"

主要产物：

vmlinux
arch/x86/boot/bzImage

2. 安装宿主机工具

bash 复制代码

sudo apt install qemu-system-x86 e2fsprogs busybox-static cpio gzip

说明：

qemu-system-x86是Ubuntu/Debian上的软件包名，安装后会提供qemu-system-x86_64命令用于启动内核
busybox-static用于制作最小initramfs（避免动态库依赖）
e2fsprogs提供mkfs.ext4

3. 准备实验目录

bash 复制代码

mkdir -p ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/{bin,sbin,proc,sys,dev,mnt}

4. 制作最小initramfs（关键点：先安装busybox applets）

把busybox放进initramfs：

bash 复制代码

cp -a /usr/bin/busybox ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/bin/busybox
ln -sf busybox ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/bin/sh

创建 /init：

~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/init

推荐用一条命令直接生成该文件（避免手动复制粘贴漏行）：

bash 复制代码

cat > ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/init <<'EOF'
#!/bin/sh
mkdir -p /proc /sys /dev /mnt /bin /sbin
/bin/busybox --install -s /bin
/bin/busybox --install -s /sbin
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sys /sys
mount -t devtmpfs dev /dev
mkdir -p /sys/kernel/tracing
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
mkdir -p /sys/kernel/debug
mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
echo "initramfs: mount ext4 /dev/vda -> /mnt"
mount -t ext4 /dev/vda /mnt
echo "initramfs: mount exit=$?"
ls -al /dev/vda 2>/dev/null || true
ls -al /mnt 2>/dev/null || true
exec /bin/sh
EOF
chmod +x ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/init

注意：

如果没有执行 busybox --install -s，会出现 mount: not found（因为只有 busybox 本体，没有 mount 这个命令名的链接）
上面这份/init默认会在进入shell前自动尝试挂载ext4实验盘（virtio-blk的/dev/vda），便于确认环境是否正常

打包initramfs：

bash 复制代码

chmod +x ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs/init
cd ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs.cpio.gz

产物：

~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs.cpio.gz

5. 创建ext4实验盘镜像

bash 复制代码

dd if=/dev/zero of=~/workspace/Linux/qemu-lab/ext4.img bs=1M count=1024 status=none
mkfs.ext4 -F ~/workspace/Linux/qemu-lab/ext4.img

产物：

~/workspace/Linux/qemu-lab/ext4.img（1GiB，ext4）

6. QEMU启动

bash 复制代码

cd ~/workspace/Linux/linux

qemu-system-x86_64 \
  -m 1024 \
  -smp 2 \
  -kernel arch/x86/boot/bzImage \
  -initrd ~/workspace/Linux/qemu-lab/initramfs.cpio.gz \
  -drive file=~/workspace/Linux/qemu-lab/ext4.img,if=virtio,format=raw \
  -append "console=ttyS0 console=ttyS1 rdinit=/init" \
  -nographic

-initrd用于向内核提供initramfs（初始内存根文件系统）。本实验使用rdinit=/init，因此内核启动后会执行initramfs里的/init脚本进入BusyBox环境。若不提供-initrd，就需要改成"磁盘rootfs"方案（镜像里要有/sbin/init），或把initramfs直接编进内核。这里的"virtio-blk"指的是磁盘在QEMU里通过virtio的块设备模型提供给虚拟机（if=virtio），在虚拟机里通常体现为/dev/vda。除了virtio-blk，也可以用virtio-scsi（通常是/dev/sda）、IDE/SATA(AHCI)、NVMe等方式挂载同一个镜像；对学习ext4来说，virtio-blk/virtio-scsi都很常用。

7. 在虚拟机内挂载ext4并验证

在QEMU里：

sh 复制代码

mkdir -p /mnt
mount -t ext4 /dev/vda /mnt
ls -al /mnt

预期看到 lost+found 等目录；内核日志中会出现类似：

virtio_blk ... [vda] ...
EXT4-fs (vda): mounted filesystem ... r/w

8. 手动退出QEMU

如果是-nographic模式想手动退出QEMU（不关机），可在QEMU窗口按：

Ctrl-a x（退出）
或Ctrl-a c进入QEMU monitor，再输入quit

9. ftrace：函数调用跟踪（tracefs）

ftrace是Linux内核自带的轻量级跟踪框架，可以在不改代码/不重编译的情况下动态开启跟踪，用于观察内核函数调用、调用耗时与部分调用关系。对学习文件系统来说，它非常适合用来抓取某次mount/umount/open/read/write触发的关键路径（如ext4_fill_super、__ext4_iget、ext4_map_blocks等），从而把"现象"映射到"具体走了哪些内核函数"。

9.1 /sys/kernel/tracing可能是空的

/sys/kernel/tracing是tracefs的挂载点。如果只挂了proc/sysfs/devtmpfs，但没有挂载tracefs，这个目录会是空的，自然也就看不到current_tracer/trace/trace_pipe/set_ftrace_filter等接口文件。

本实验的 /init 已经加入了：

sh 复制代码

mkdir -p /sys/kernel/tracing
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing

9.2 进入虚拟机后手动确认

sh 复制代码

mount | grep -E 'tracefs|debugfs' || true
ls /sys/kernel/tracing | head

如果还没挂载，可以手动挂：

sh 复制代码

mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing

9.3 function tracer示例

sh 复制代码

cd /sys/kernel/tracing

# 1) 清理
echo nop > current_tracer
echo 0 > tracing_on
: > trace

# 2) 设过滤函数
echo "ext4_*" > set_ftrace_filter
echo function > current_tracer
echo 1 > tracing_on

# 3) 强制触发（最稳：重新挂载）
umount /mnt
mount -t ext4 /dev/vda /mnt

# 4) 关tracing并看结果
echo 0 > tracing_on
cat trace    #能看到umount/mount的函数调用流程

说明：

第1步把tracer设为nop并清空trace，避免混入上一次实验的残留
第2步用set_ftrace_filter限定只记录ext4_*相关函数
第3步选择umount/mount是因为它们会稳定触发ext4的卸载/挂载路径（如ext4_kill_sb、ext4_put_super、ext4_fill_super、__ext4_iget等），比单纯ls更容易看到关键流程
第4步关闭tracing_on后再查看trace，能得到一个完整的"操作->触发的函数链"快照；可配合grep ext4_或tail -n 200聚焦阅读

示例输出（节选自~/workspace/Linux/qemu-lab/trace.log，用于参考格式与字段含义）：

text 复制代码

# tracer: function
# entries-in-buffer/entries-written: 5850/5850   #P:2
#           TASK-PID     CPU#  |||||  TIMESTAMP  FUNCTION
          umount-99      [000] .....    75.535497: ext4_kill_sb <-deactivate_locked_super
          umount-99      [000] .....    75.535971: ext4_sync_fs <-sync_filesystem
           mount-100     [000] .....    84.846012: ext4_init_fs_context <-alloc_fs_context
           mount-100     [000] .....    84.846329: ext4_fill_super <-get_tree_bdev_flags
           mount-100     [000] .....    84.848419: ext4_inode_csum <-__ext4_iget

字段说明：

TASK-PID：触发本次调用的进程（这里的umount-99和mount-100对应第3步的卸载/挂载）
CPU#：事件发生在哪个CPU上（如[000]；多核时会交错出现）
TIMESTAMP：从启动开始的时间戳（秒）
FUNCTION<-CALLER：FUNCTION被调用，直接调用者是CALLER。例如ext4_kill_sb<-deactivate_locked_super表示VFS在卸载super时调用了ext4的.kill_sb回调