Linux Kernel Seminar in tripodworks

カーネルコンパイルから見るLinux

2008.01.21
トライポッドワークス庄司

Copyright © 2007, TripodWorks CO.,Ltd. All Rights Reserved.

目次
 Linuxカーネル概要

 git概要

 カーネルコンパイルの前に

 カーネルコンパイル〜インストール

 障害解析のために


Linuxカーネル概要


Linuxとは
Linuxとは、UNIXライクな（UNIXに似た）コンピュータ用
オペレーティングシステム (OS) である。

現在では、パーソナルコンピュータに限らず、携帯電話
のような組み込みシステムからメインフレームや
スーパーコンピュータまで、幅広く利用されている。
参考：WikiPedia


Linusのツリー
Linuxはリーナス・トーバルズ (Linus Torvalds) がMinix
より優れたUNIX互換OSを開発したいという動機から生み出さ
れた。

現在はLinux Kernel Mailing List (LKML) を中心として
開発が行われている。

Linusの開発ツリーであるバニラカーネルは
http://www.kernel.org/
から入手することができる。


Linuxのコード量


git概要


git背景
現在、バニラカーネルはバージョン管理システムである
gitによって管理されている。

カーネルの開発では、LKMLに投稿されるパッチをカーネル
メンテナがソースコードに適用するという形式を用いている
が、以前はBitKeeperというバージョン管理システムを
用いて管理していた。しかし、このシステムは商用のため
快く思わないAndrew Tridgellが開発したBitKeeperクローン
によってBitKeeperの提供が停止されてしまった。

その代替としてリーナス・トーバルズによってgitが
開発された。


gitのインストール
Fedora8の場合
# yum install git

http://git.or.cz/からダウンロードもできます。

ソースからの場合
# make configure
# ./configure
# make all doc
# make install install-doc


gitのフロントエンドツール
gitはコマンドラインから使いますが、フロントエンド
ツールも各種あります。

CUIな人用 cogito
GUIな人用 gitk, qgit
Webな人用 gitweb

Fedora8の場合
# yum install cogit
# yum install qgit
でインストールできます。


gitの準備
gitは他のバージョン管理ツールと同様、ローカルに
クローンを作るところから始めます。

Linusのツリーのクローンを手元におく
# git-clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/lin ux-2.6.git
linux-2.6

Initialized empty Git repository in .git/
Fetching head...
Fetching objects...
Getting alternates list for http://kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
Getting pack list for http://kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
Getting index for pack 1dae8aeac81b760f1831b7a0fbfdbbe4079b456e
Getting index for pack c6558d5da67a60d5e50d0235cd4bf555bd420cd1
Getting index for pack e65d48b3632f2657eb9ab7a21aa73d337dbbdc88
Getting pack e65d48b3632f2657eb9ab7a21aa73d337dbbdc88
which contains fd0b45dfd1858c6b49d06355a460bcf36d654c06
A
Getting pack 1dae8aeac81b760f1831b7a0fbfdbbe4079b456e
which contains 8d14531846b95bfa3564b58ccfb7913a034323b8
.
.
.


gitの基本的な使い方
時間がたって古くなったリポジトリを最新にするには
# cd linux-2.6
# git-pull git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linu x-2.6.git

ファイルをリポジトリから取り出すとき
# git-checkout

変更履歴（ログ）を見たいとき
# git log


gitの便利な使い方１
変更履歴と共にパッチも見たいとき
# git log -p
パッチはunified形式（diff -u）

パスの指定も出来ます。
# git log fs/xfs

grepと合わせて人名で検索したり
# git grep Linus

commit idを覚えておいて後で読むことも出来ます。
# git show bad60fdd14df32459e31cc75ab681e4458bf25cf


gitの便利な使い方２
バージョン間の変更履歴が見たいとき
# git log v2.6.24-rc4..v2.6.24-rc5

[タグ名..タグ名]でバージョン間指定
[タグ名..]で最新までの変更履歴
[..タグ名]でタグまでの変更履歴

どのようなタグ名があるか
# git tag


ここまでできれば
ここまでできればgitを利用してLinusのツリーを参照
することができます。

参照することにより、細かいバージョン間での
バグフィックス、機能追加修正などをモニタすることが
できます。


カーネルコンパイルの前に


linux-2.6のディレクトリ構成
# cd linux-2.6
# ls
ドキュメントが格されています。
納
Docum at i on
ent 各アーキテクチャの説やチューニングパラメータについて記しています。
種明載
しかし、かならずしも実されているコードとドキュメントが同しているわけではありません。
装期
アーキテクチャに依するソースコードが格されています。
存納
al pha, avr 32, cr i s, h8300, m , m
32r 68knom u, par i sc, ppc, sh, spar c, um x86,
m ,
ar ch
ar m bl ackf i n, f r v, i a64, m m ps, pow pc, s390, sh64, spar c64, v850, xt ensa
, 68k, i er

bl ock ブロック I / O するソースコードが格されています。
に関納
cr ypt o 暗処に関
号理するソースコードが格されています。納
ドライバのソースコードが格されています。納
dr i ver s
サブディレクトリにはさらに細かい分がされています。
類
fs ファイルシステムに関するソースコードが格されています。納
i ncl ude へッダファイルが格されています。
納
i ni t カーネルの初化期コード ( m n. cなど ) が格されています。
ai 納
i pc プロセス間信するソースコードが格されています。
通に関納
ker nel カーネル本のソースコードが格されています。
体納
lib カーネルが使するいくつかの関のソースコードが格されています。
用数納
m m メモリマネジメントに関するソースコードが格されています。納
net ネットワークに関するソースコードが格されています納
sam es
pl カーネルモジュールに関するサンプルコードが格されています。納
ake ake enuconf i g, m xconf i gなどのカーネルの
m conf i g, m m ake
scr i pt s
コンフィグレーションに使されるスクリプトが格されています。
用納
secur i t y セキュリティ（権管、 SELi nuxなど）に関
限理するソースコードが格されています。
納
sound サウンドに関するソースコードが格されています。納
usr カーネル内のツールに関するソースコードが格されています。納


TIPS:タグの生成
カーネルのタグを生成しておく
カーネルのタグを生成しておくことで変数や関数
ジャンプを容易にすることができます。

Emacsな人
# find . -name "*.[ch]" -print | etags -

viな人
# ctags -R
or
# make tag


Documentation 一例(1)
# cd linux-2.6/Documentation/filesystems
# less proc.txt
/procファイルシステムに関するドキュメント
0 Preface
0.1 Introduction/Credits
0.2 Legal Stuff

1 Collecting System Information
1.1 Process-Specific Subdirectories
1.2 Kernel data
1.3 IDE devices in /proc/ide
1.4 Networking info in /proc/net
1.5 SCSI info
1.6 Parallel port info in /proc/parport
1.7 TTY info in /proc/tty
1.8 Miscellaneous kernel statistics in /proc/stat 1. /procから参照できる情報
2 Modifying System Parameters 2. /procから設定できる情報
2.1 /proc/sys/fs - File system data
2.2 /proc/sys/fs/binfmt_misc - Miscellaneous binary formats （カーネルパラメータ）
2.3 /proc/sys/kernel - general kernel parameters
2.4 /proc/sys/vm - The virtual memory subsystem
2.5 /proc/sys/dev - Device specific parameters
2.6 /proc/sys/sunrpc - Remote procedure calls
2.7 /proc/sys/net - Networking stuff
2.8 /proc/sys/net/ipv4 - IPV4 settings
2.9 Appletalk
2.10 IPX
2.11 /proc/sys/fs/mqueue - POSIX message queues filesystem
2.12 /proc/<pid>/oom_adj - Adjust the oom-killer score
2.13 /proc/<pid>/oom_score - Display current oom-killer score
2.14 /proc/<pid>/io - Display the IO accounting fields
2.15 /proc/<pid>/coredump_filter - Core dump filtering settings


Documentation 一例(2)
ソースコードの実装を調べるにはgrepまたはタグを利用する

ここではdirty_background_ratio
# grep -rn dirty_background_ratio .
./kernel/sysctl.c:828: .procname = "dirty_background_ratio",
./kernel/sysctl.c:829: .data = &dirty_background_ratio,
./kernel/sysctl.c:830: .maxlen = sizeof(dirty_background_ratio),
./kernel/sysctl_check.c:118: { VM_DIRTY_BACKGROUND, "dirty_background_ratio" },

kernel/sysctl.cが/procのインターフェースを実現している！

ここに新たなエントリを追加すれば/procからカーネルの挙動操作できる
インターフェースを作ることができます。


makeコマンド１
カーネルのコンパイル設定はmakeから行う

makeコマンドのオプション
# make help
Cl eani ng t ar get s: クリーンアップするためのオプション
cl ean - R ove m
em ost gener at ed f i l es but keep t he conf i g and
enough bui l d suppor t t o bui l d ext er nal modul es
m pr oper
r - R ove al l gener at ed f i l es + conf i g + var i ous backup f i l es
em
di st cl ean - m pr oper + r em
r ove edi t or backup and pat ch f i l es

Conf i gur at i on t ar get s: カーネル設定値を変更するためのオプション
conf i g - Updat e cur r ent conf i g ut i l i si ng a l i ne- or i ent ed pr ogr am
m enuconf i g - Updat e cur r ent conf i g ut i l i si ng a m enu based pr ogr am
xconf i g - Updat e cur r ent conf i g ut i l i si ng a Q based f r ont - end
T
gconf i g - Updat e cur r ent conf i g ut i l i si ng a G based f r ont - end
TK
ol dconf i g - Updat e cur r ent conf i g ut i l i si ng a pr ovi ded . conf i g as base
si l ent ol dconf i g - S e as ol dconf i g, but qui et l y
am
r andconf i g - N conf i g w t h r andom answ t o al l opt i ons
ew i er
def conf i g - N conf i g w t h def aul t answ t o al l opt i ons
ew i er
al l modconf i g - N conf i g sel ect i ng m
ew odul es w hen possi bl e
al l yesconf i g - N conf i g w e al l opt i ons ar e accept ed w t h yes
ew her i
al l noconf i g - N conf i g w e al l opt i ons ar e answ ed w t h no
ew her er i


makeコマンド２
St at i c anal yser s: 静的解析のためのオプション
checkst ack - Gener at e a l i st of st ack hogs
nam espacecheck - N e space anal ysi s on com l ed ker nel
am pi
expor t _r epor t - Li st t he usages of al l expor t ed sym s
bol
header s_check - S t y check on expor t ed header s
ani

Ker nel packagi ng: カーネルパッケージングのためのオプション
r pm pkg
- - B l d t he ker nel as an R M package
ui P
bi nr pm pkg
- - B l d an r pm package cont ai ni ng t he com l ed ker nel
ui pi
and m es
odul
deb- pkg - B l d t he ker nel as an deb package
ui
t ar - pkg - B l d t he ker nel as an uncom essed t ar bal l
ui pr
t ar gz- pkg - B l d t he ker nel as a gzi p com essed t ar bal l
ui pr
t ar bz2- pkg - B l d t he ker nel as a bzi p2 com essed t ar bal l
ui pr

Docum at i on t ar get s: ドキュメント作成のためのオプション
ent
Li nux ker nel i nt er nal docum at i on i n di f f er ent f or m s:
ent at
ht m docs
l - H L
TM
i nst al l mandocs - i nst al l m pages gener at ed by m
an andocs
m andocs - m pages
an
pdf docs - PFD
psdocs - P scr i pt
ost
xm docs
l - XL D
M ocBook


makeコマンド３
O her gener i c t ar get s: その他のオプション
t
他にもmake helpコマンドでは
al l - B l d al l t ar get s m ked w t h [ *]
ui ar i
* vm i nux
l - B l d t he bar e ker nel
ui 表示されないオプションもあります。
* m odul es - B l d al l m
ui odul es
m odul es_i nst al l - I nst al l al l m odul es t o I N TA
S LL_M D A ( def aul t : / )
O _P TH -j n [n>=2]
di r / - B l d al l f i l es i n di r and bel ow
ui 並列コンパイル
di r / f i l e. [ oi s] - B l d speci f i ed t ar get onl y
ui
di r / f i l e. ko - B ld m
ui odul e i ncl udi ng f i nal l i nk
r pm - B l d a ker nel as an R M package
ui P
t ags/ TA S G - G ener at e t ags f i l e f or edi t or s
cscope - G ener at e cscope i ndex 詳しくはMakefileを見てください^^;
ker nel r el ease - O put t he r el ease ver si on st r i ng
ut
ker nel ver si on - O put t he ver si on st or ed i n M
ut akef i l e
header s_i nst al l - I nst al l sani t i sed ker nel header s t o I N TA S LL_H R A
D _P TH
( def aul t : / w k/ S M N R 20080121/ l i nux- 2. 6/ usr )
or EI A/

Ar chi t ect ur e speci f i c t ar get s ( i 386) : i 386 固有のオプション
* bzI m age - C pr essed ker nel i m
om age ( ar ch/ x86/ boot / bzI mage)
i nst al l - I nst al l ker nel usi ng
( your ) ~/ bi n/ i nst al l ker nel or
( di st r i but i on) / sbi n/ i nst al l ker nel or
i nst al l t o $( I N TA
S LL_P TH and r un l i l o
A )
bzdi sk - C eat e a boot f l oppy i n / dev/ f d0
r
f di mage - C eat e a boot f l oppy i m
r age
i soi mage - C eat e a boot C - R M i m
r D O age

make V=0| 1 [ t ar get s] 0 => qui et bui l d ( def aul t ) , 1 => ver bose bui l d
make V=2 [ t ar get s] 2 => gi ve r eason f or r ebui l d of t ar get
make O r
=di [ t ar get s] Locat e al l out put f i l es i n " di r " , i ncl udi ng . conf i g
make C=1 [ t ar get s] Check al l c sour ce w t h $C E K ( spar se by def aul t )
i HC
make C=2 [ t ar get s] For ce check of al l c sour ce w t h $C E K
i HC


Configuration option(1)
make config等のconfiguration targetを指定することでカーネルの初期パラメータを変更
することができます。

（画像はGTK+を使用したmake gconfigを実行したところです。）

Configオプション一例
make config
CUIパラメータ問い合わせ型

make menuconfig
CUIメニュー型

make xconfig
GUI Qt版メニュー型

make gconfig
GUI GTK+版メニュー型


最新のLinuxカーネルのパラメータは1000を超えると言われています。
トップグループの概要を紹介します。
G al set up
ener 一般的な設定
E e l oadabl e m e suppor t
nabl odul 動的に組み込み可能なカーネル・モジュールに関する設定
E e t he bl ock l ayer
nabl ブロック・デバイス層に関する設定
P ocessor t ype and f eat ur es
r プロセッサの種類や利用する機能に関する設定
P er m
ow anagem opt i ons ( A P , A M
ent CI P) A P やA M
C I P などの電源管理機構に関する設定
B opt i ons ( P I , P MI A E S , MA I S )
us C CC , I A C , A P I やI S などのバスに関する設定
C A
E xecut abl e f i l e f or m s
at 実ァイル形式に関する設定
行フ
N w ki ng
et or ネットワークに関する設定
D ce D i ver s
evi r デバイス・ドライバに関する設定
Fi l e syst em s ファイル・システムに関する設定
I nst r um at i on S
ent uppor t システム測定に関する設定
K nel hacki ng
er カーネルのデバッグに関する設定
S i t y opt i ons
ecur セキュリティ機構に関する設定
C ypt ogr aphi c opt i ons
r 暗号機能に関する設定
Li br ar y r out i nes ライブラリ・モジュールに関する設定

比較的新しく、日本語のわかりやすい解説は下記が参考になります。
http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20071025/285507/?ST=oss


パラメータ設定のポイント
膨大な数のパラメータを一つひとつ理解するのは不可能。

そこで、重要なポイント
〜debugはリリース時点ではすべてNに設定する。
余計なメッセージが表示・記録されてしまうため

カーネル機能はYに設定しておく方が安心。
組み込んでもそれを利用することができるソフトがないと使えないので、
邪魔にはならない。但し、パフォーマンスを求める場合には要注意。

Code maturity level optionsはNにする。
不完全な実装設定の意味。Yにして余計な苦労をするくらいなら...

ハードウェアサポートはNにする。
よくわからないハードウェアは調べてからYにするようにする。
電源系のトラブルはやっかいなので、同様にPower management optionは
Nにしておくとよい。
Bus optionは明らかに実装されていないものはNに、よく分からないものは
Yにする。

そこで、重要なポイント(つづき)
Excutable file formatsは全てY。
実行形式は色々な形式が利用できたほうが便利だと思います...

Networking -> Networking options
Packet socket, Unix domain sockets, PF_KEY sockets, TCP/IP networking
は最低必要。他は必要に応じて入れる。

Device DriversはM
よく分からないものはMにしておくと後からinsmodで容易に追加できる。

File systemsはMまたはY
他のファイルシステムにアクセスすることがあるなら組み込んでおく方が
安心。CFやCD-ROM等をマウントするファイルシステムも考慮しておく。

ホット・プラグはMで
USBやPCMCIAといったホットプラグ対応デバイスはMにしておく。


カーネルコンパイル〜インストール


ビルドからインストールまで(1)
Linuxカーネルのビルドは2.4カーネルと2.6カーネルでは若干異なります。
2.6カーネルの手順は2.4カーネルに比べると容易です。

2.4カーネルの場合
# make mrproper 注：configを行う前に初期化します。
(make menuconfig 等)
# make dep 依存関係のチェックを行います。
# make clean 不要なファイルを削除します。
# make bzImage カーネルをコンパイルし、圧縮された
新しいカーネルを作成します。
# make modules カーネルモジュールをコンパイルします。
# make modules_install カーネルモジュールをインストールします。
# mkinitrd /boot/initrd-2.4.xx.img 2.4.xx
ブロックデバイスのpreload RAM imageを
作ります。

# vi /boot/grub/grub.conf 新しいカーネルのエントリを追加


ビルドからインストールまで(2)
2.6カーネルの場合
# make
( make V=1 とするとmakeの状態を表示します）
2.6カーネルではmake一発で出来ます。

# make modules_install
カーネルモジュールがインストールされます。

# make install
カーネルがインストールされます。grub.confの設定もしてくれます。


TIPS:mkinitrd
mkinitrdとは
ブート時に最初に読み込まれるルートファイルシステムの
RAMイメージファイルを作成するためのコマンドです。

RAMイメージファイルはなぜ、必要か？
ルートファイルシステムがSCSIハードディスク上にある場合、SCSIサポート
するドライバが予め必要です。初期RAMディスクはこのドライバを組み込んだ
カーネルをメモリ上に展開し、起動することによりSCSIハードディスクから
実際のファイルシステムをマウントしなおすという起動プロセスを取ることが
できます。

mkinitrdのコマンド

# mkinitrd [オプション] RAMイメージファイルカーネルバージョン

関連
depmod


/boot/grub/grub.confについて
カーネルはGRUBというブートローダーから起動します。
以前はLILOというブートローダーを使用していました。

grub.confの書式
# info grub : Emacsライクなインターフェースで起動します
# #はコメント
default=0 n番目のエントリを起動
timeout=5 GRUBメニューのタイムアウト（秒）
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz GRUBメニューの背景画像

title Fedora (2.6.23.9-85.fc8) GRUBメニューに表示されるOS名
(0番目のエントリ)
root (hd0,0) 1台目のHDDの3番目のパーティションから起動
IDE:/dev/hda3, SCSIorSATA:/dev/sda3
kernel /vmlinuz-2.6.23.9-85.fc8 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
カーネルイメージの指定
hda=ide-scsi
initrd /initrd-2.6.23.9-85.fc8.img 初期RAMイメージの指定


障害解析のために


dmesg
dmesgコマンドはカーネルが出力する環状バッファ情報を表示し
ます。

どこで使うの？
起動時のカーネル情報の確認
ドライバのロード、アンロード時の確認
ソフトウェアの動作異常
ストレージのマウント・アンマウント前に

メッセージの意味がわからないときは？
OSS Message Pediaでメッセージを検索
http://ossmpedia.org/
RedHatのBugzillaで検索
http://ossmpedia.org/
カーネルソースをgrepしてみる


strace
straceはユーザーランドのシステムコールを
トレースします。

ユーザーランドプログラムが落ちる。
カーネルを変更すると動作する。
[root@tshoji120 20080121]# strace /bin/ls
execve("/bin/ls", ["/bin/ls"], [/* 50 vars */]) = 0
brk(0) = 0x8937000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) =3
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=117879, ...}) = 0
mmap2(NULL, 117879, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7f0d000
close(3) =0
open("/lib/librt.so.1", O_RDONLY) =3
read(3, "¥177ELF¥1¥1¥1¥0¥0¥0¥0¥0¥0¥0¥0¥0¥3¥0¥3¥0¥1¥0¥0¥0`y¥36¥0004¥0¥0¥0"..., 512) = 512
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=48072, ...}) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) =
0xb7f0c000
mmap2(0x1e6000, 33328, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) =
0x1e6000
mmap2(0x1ed000, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3,
0x7) = 0x1ed000 Copyright © 2007, TripodWorks CO.,Ltd. All Rights Reserved.
close(3) =0

diskdump, netdump
diskdump, netdumpはカーネルパニック時に
メモリの内容をダンプします。

カーネルパニックが発生したが、心当たりが無い。


kdb
kdbはカーネルの実行をトレースし、メモリやデータ構造を調査す
るのに便利です。

実行中のカーネルに不具合があり、再現性があるとき。

デバッグ機能
メモリ内容の表示と編集
レジスタ内容の表示と編集
ブレークポイント
スタックトレース
逆アセンブル

注意
kdbの実行にはあらかじめカーネルにパッチを当てておく必要があります。


sar, iostat, mpstat
sar, iostat, mpstatはカーネルがスローダウンした
ときに調査するのに便利です。

パフォーマンス測定やスローダウンの原因がわからないとき。


minicom(シリアル接続)
シリアル接続はブート時のメッセージを保存したいとき
デバッガの使用等ひとつ用意してあると便利です。

カーネルのブートをモニタする
デバッガに接続する
ファームをダウンロードする

Linuxのターミナルソフトではminicomが有名です。
シリアルケーブルがUSBの場合は:/dev/ttyUSB0のように認識されます。


参考資料
IPA OS層 ~障害解析の手順・ツール評価編~
http://www.ipa.go.jp/software/open/forum/development/download/051115/OS-Tools.pdf

詳解 Linuxカーネル第２版
第３版 ISBN-13: 978-4873113135

Linuxカーネル2.6解読室
ISBN-13: 978-4797338263

日経 Linux Linuxカーネル徹底理解
ISBN-13: 978-4822234140

WikiPedia
http://ja.wikipedia.org/


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