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【C言語】Linuxカーネルのビルド方法と新しいシステムコールの実装方法

悩んでいる人

C言語でLinuxカーネルのビルド方法と新しいシステムコールの実装方法を教えて!

こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++Solidity/Vyper,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

Linuxカーネルのビルド方法

Linuxカーネルのビルド方法を紹介します.

LinuxカーネルをビルドするPC環境は以下になります.

  • Intelの64ビットCPU(x86-64)
  • Ubuntu 22.04 LTS(Linuxカーネル5.15.0)

LinuxカーネルのビルドやインストールはPCの性能により処理時間が長くなるので(数十分~1時間程度),時間がある時にやりましょう!

GRUBを編集して起動するLinuxカーネルを指定

ブートローダーのGRUBを編集して起動するLinuxカーネルを指定する方法を紹介します.

GRUBを編集しないとデフォルトのLinuxカーネルが立ち上がってしまい,ビルドしたLinuxカーネルが起動できなくなる可能性があります.

GRUBのファイルは/etc/default/grubにあります.

まずはバックアップをとりましょう.

GRUBの以下を編集します.

  • 「GRUB_TIMEOUT=0」を「GRUB_TIMEOUT=5」に変更(Linuxカーネルの選択で5秒のタイムアウト待ちに設定)
  • 「GRUB_DISABLE_OS_PROBER=false」を追加

編集が終わったら,sudo update-grubでGRUBを更新しましょう!

Linuxカーネルのビルド環境の構築とインストール

まずはLinuxカーネルのビルド環境を構築しましょう.

次に,LinuxカーネルのWebサイトからLinuxカーネル5.15をダウンロードします.

以下の手順で解凍したLinuxカーネルに,現在動作しているLinuxカーネルのconfigを.configにコピーします.

※XXはLinuxカーネル5.15.0(Ubuntu 22.04 LTS)のパッチ番号です.

make oldconfigで全ての設定変数の値が確実に含まれるようにします.

選択肢を求められたら全部デフォルトで構いません.エンターキーを連打します.

コピー元のLinuxカーネルのバージョンとビルドするLinuxカーネルのバージョンが同じや近い場合は,ほとんど選択肢は発生しません.

しかし,Linuxカーネルのバージョンが遠い場合(数字が大きく異なる場合),多くの選択肢が発生します.

この場合,Linuxカーネルのビルドやインストールが失敗するリスクが高くなることに注意して下さい.

もしUbuntu 22.04 LTS(Linuxカーネル5.15.0)以外を利用している場合,可能であれば同じLinuxカーネルのバージョンでビルドすることをおすすめします!

次に,.configの以下を変更します.

  • 「CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS="debian/canonical-certs.pem"」を「CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS=""」に変更
  • 「CONFIG_SYSTEM_REVOCATION_KEYS="debian/canonical-revoked-certs.pem"」を「CONFIG_SYSTEM_REVOCATION_KEYS=""」に変更
  • 「CONFIG_DEBUG_INFO=y」を「CONFIG_DEBUG_INFO=n」に変更
  • 「CONFIG_LOCALVERSION=""」を「CONFIG_LOCALVERSION="-mykernel"」のように好きな文字列に変更

.configの設定が終わったら,makeでLinuxカーネルをビルドします.数十分~1時間程度かかります.

また,新しいシステムコールを同時に実装したい場合は,後述する新しいシステムコールの実装方法を読んで実装してからビルドしましょう.

ビルドするPCのコア数が多い場合は「make -j8」や「make -j16」を利用しましょう.

参考までに,CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYSとCONFIG_SYSTEM_REVOCATION_KEYSの値を変更しないとビルド時に以下のエラーが発生します.

また,CONFIG_DEBUG_INFOの値を変更しないとビルド時に以下のエラーが発生します.

ビルドが完了したら以下が表示されます.

#1はビルド回数で数値はビルド毎にインクリメントされます.

make -j4などで並列コンパイルする場合は,ビルドが最後まで完了しない場合があります.

なので,make -j4の後にmakeを入力した方が良いかもしれません.

ビルドが成功したことを確認した後に,以下のコマンドでインストールしましょう.

再起動してインストールしたLinuxカーネルを起動

インストールが成功したら再起動して,インストールしたLinuxカーネルを選んで正常に起動するか確認しましょう.

新しく起動したLinuxカーネルでuname -rを入力して指定したサフィックス(例:-mykernel)があれば成功です.

新しいシステムコールの実装方法

新しいシステムコールの実装方法を紹介します.

x86-64向けシステムコールテーブルの設定ファイルに追加

x86-64向けのシステムコールテーブルの設定ファイルは,linux/arch/x86/entry/syscalls/syscall64.tblにあります.

まずはバックアップを取りましょう.

Linuxカーネル5.15.0の場合はシステムコールIDは448の「process_mrelease」までです.

※512~547にx32(x86)用のシステムコールはあります.

なので,システムコールIDの449に新しいシステムコール「mysyscall」を以下のように実装します.

ここで,要素の間はスペースではなくタブになりますので注意して下さい.

linux/kernel/sys.cにシステムコールの実装を追加

次に,mysyscallの実装をlinux/kernel/sys.cに書きます.

まずはバックアップを取りましょう.

以下のコードをlinux/kernel/sys.cに追加します.

利用するマクロと関数の解説は以下になります.

  • SYSCALL_DEFINE1:1つのパラメータを持つシステムコールを定義するためのマクロ
  • strncpy_from_user関数:ユーザ空間から'\0'で終端する文字列をコピーする関数

ビルドします.

ビルドが成功したらインストールします.

インストール後に再起動して,mysyscallを実装したLinuxカーネルを起動します.

mysyscallの実行

mysyscallの実行するコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

ret = 0なので正常に実行できていることがわかります.

mysyscallのprintk関数の呼び出し結果を表示したい場合は,dmesgコマンドを利用します.

以下の実行結果からprintk関数を正常に実行できていることがわかります.

参考までに,mysyscallを実装していないLinuxカーネルで実行しようとすると,以下のように返り値が-1(-EFAULT)になります.

新しいシステムコールの実装に関するトレードオフ

新しいシステムコールの実装に関するトレードオフは以下になります.

  • メリット
    • カーネルレベルの関数を簡単に実装できて使いやすい
    • カーネルの機能を呼び出す処理が速い
  • デメリット
    • 将来的には,そのシステムコールIDが他のシステムコールに置き換わる可能性あり(正式なシステムコールIDが必要)
    • 実装後にインターフェース(関数の名前や引数)を変更できない(変更したい場合は,Linuxカーネルのビルドが必要)
    • アーキテクチャごとにシステムコールの登録が必要(バグを発生させるリスクが高い)

新しいシステムコールの実装は,プロトタイプとして試してみるのは良いですが,管理や保守を考えるとあまり良い方法ではありません.

なので,Linuxカーネルに正式に採用されることを目指す場合は良いですが,そうでない場合は新しいシステムコールを実装しない方が良いです.

代わりにLinuxカーネルの機能を動的に追加できるローダブルカーネルモジュール(カーネルモジュール)が良く利用されます.

カーネルモジュールでは,Linuxカーネルに独自機能(主にデバイスドライバ)を追加します.

また,以下のシステムコールを利用してカーネルモジュールの独自機能を操作します.

  • readwriteシステムコールでデバイスに読み書き
  • ioctlシステムコールでデバイスにアクセス

Linuxカーネルでカーネルレベルプログラミングをする場合は覚えておきましょう!

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まとめ

C言語でLinuxカーネルのビルド方法と新しいシステムコールの実装方法を紹介しました.

具体的には,x86-64で新しいシステムコールmysyscall追加し,Linuxカーネルのprintk関数でHello World!を表示しました.

ARM64(AARCH64)でLinuxカーネルのビルド方法と新しいシステムコールの実装方法に興味があるあなたは,是非挑戦してみましょう!

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