qemu+linux kernel+busybox搭建linux内核学习环境

前言：里面的知识很多理解的都不到位，不保证正确性，等后期学习好，再来修改。

前提：架构x86_64

一、准备工作

sudo apt update
sudo apt install build-essential qemu-system-x86 gdb git flex bison libncurses5-dev libssl-dev libelf-dev

二、编译 Linux 内核（以最新版本为例）：

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git　　# 官方链接，国内会很慢
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux-stable.git    # 清华源，速度快（推荐）
cd linux  # 进入源码目录
make defconfig    # 默认配置
make -j$(nproc)    # 开始编译

最终会生成启动镜像：arch/x86/boot/bzImage

三、准备根文件系统（rootfs）

内核需要一个“根文件系统”来启动，否则会卡在 init 过程，可以用 BusyBox 来生成一个极简 rootfs。

# 下载 busybox
git clone https://busybox.net/git/busybox.git    # 速度也较为慢，但是文件比较小
cd busybox    # 进入源码目录
make menuconfig    # 菜单配置，要配置成静态编译（重要）
make install    # 它会生成 _install 目录
cd _install
mkdir -p proc sys dev    # （可选）创建一些必要的文件夹
vi init    # （可选）创建一个自定义的init脚本，不创建的话要指定其他地方的文件作为初始化文件，后面会讲到。
find . | cpio -o --format=newc | gzip > ../rootfs.img.gz    # 打包制作成一个 ramdisk

相关知识点：

1. 一定要静态编译busybox，否则它使用的是本地linux的动态库，但是linux启动的时候并没有这些库，所以找不到将会无法启动rootfs，当时在这里卡了半天，一直以为是打包格式/名字的关系，比如initramfs.cpio.gz和rootfs.img.gz名字的区别，但是并不是本质影响，最重要的还是静态编译。但是也引出了一个不同文件系统的区别，在2中展开。
2. Ramfs、rootfs 和 initramfs区别（自己理解还不到位，仅作临时参考）：内核文档这样介绍的Ramfs、rootfs 和 initramfs — Linux 内核文档，通过再询问GPT，他给出的总结：
   ramfs：提供了一个完全驻留内存的文件系统机制。
   rootfs：内核启动时默认挂载的第一个根文件系统（通常基于 ramfs/tmpfs）。
   initramfs：是一个以 cpio 格式打包的文件系统镜像，启动时解压到 rootfs 中作为系统的早期根。
   对比表格
   

   对比项	ramfs	rootfs	initramfs
   本质	内存文件系统类型	启动时自动挂载的根文件系统实例	一个 cpio 压缩归档（init 镜像）
   所在层	文件系统类型（VFS 实现）	文件系统实例（挂载点 /）	文件系统内容来源（打包镜像）
   是否在内存中	✅ 是	✅ 是	✅ 解压后在内存中
   主要作用	提供纯内存文件系统机制	作为启动时的临时根	提供早期用户空间文件和可执行程序
   是否可持久化	❌ 否	❌ 否	❌ 否
   与内核关系	文件系统内核模块	内核自动创建	内核自动加载或附带
   与用户空间关系	不直接暴露	启动早期可见	含 /init 用户程序

   
   注意：ramfs、rootfs、initramfs 都不是“真正的根文件系统”，只是内存中的临时根环境，因为真正的文件系统特点是：位于磁盘或块设备（例如 /dev/sda1、eMMC、NAND、NVMe、SD 卡等）； 使用常见格式（ext4、xfs、btrfs、squashfs 等）； 能够持久化数据； 作为系统长期运行时的主存储空间。
3. 根文件系统各种初始化的区别（自己理解还不到位，仅作临时参考，感觉不同根文件系统有差别）
   linuxrc：早期内核中的启动脚本，现在基本不用了
   init：这个是最基本的init，现代linux还在用的。会根据启动选项选择，比如qemu的选项  -append "console=ttyS0 root=/dev/ram rdinit=/bin/sh"，其中rdinit=/bin/sh就是指定初始化文件（这些命令是传递给linux内核的启动参数，像在u-boot中也会配置这样的启动参数）。如果没有指定，会自动运行根目录/init，但是GPT说：如果 /init 不存在，尝试 /sbin/init → /etc/init → /bin/init → /bin/sh，我自己实验，重命名/init后即使存在/sbin/init以及/bin/sh也会进入不了根文件系统，所以还需要再确定。
   /etc/init.d/rcS：系统初始化脚本，在init之后运行，也就是说基本是进入系统后，再对系统进行的一些配置工作。
   下图来自：Linux启动流程-CSDN博客
   

四、启动QEMU

qemu-system-x86_64 \
  -kernel linux_src/arch/x86/boot/bzImage \
  -initrd busybox_src/rootfs.img.gz \
  -append "console=ttyS0 root=/dev/ram rdinit=/bin/sh" \
  -nographic