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(3条消息) busybox详解

 slimfeng 2021-02-24

1.根文件系统简介

所谓制作根文件系统,就是创建各种目录,并且在目录里创建相应的文件。例如:在/bin目录下放置可执行程序,在/lib下放置各种库等等。通常配合chroot命令使用。

 

2.Busybox简介

2.1Busybox简介

Busybox是一个开源项目,遵循GPL v2协议。Busybox将众多的UNIX命令集合进一个很小的可执行程序中,可以用来替代GNU fileutils、shellutils等工具集。Busybox中各种命令与相应的GNU工具相比,所能提供的选项比较少,但是也足够一般的应用了。Busybox主要用于嵌入式系统。

Busybox在编写过程中对文件大小进行了优化,并考虑了系统资源有限(比如内存等)的情况。与一般的GNU工具集动辄几M的体积相比,动态链接的Busybox只有几百K,即使是采用静态链接也只有1M左右。Busybox按模块设计,可以很容易地加入、去除某些命令,或增减命令的某些选项。

在创建根文件系统的时候,如果使用Busybox的话,只需要在/dev目录下创建必要的设备节点,在/etc目录下增加一些配置文件即可,当然,如果Busybox使用动态链接,那么还需要再/lib目录下包含库文件。

2.2Busybox目录结构简介

下面是Busybox源码目录结构图,接下来说说各个目录的作用,方便以后对Busybox做裁剪的时候参考。 
这里写图片描述

2.3init进程简介

Busybox中最重要的程序自然是init。 
大家都知道init进程是由内核启动的第一个(也是唯一一个)用户进程(进程ID为1),init进程根据配置文件决定启动哪些程序,例如:执行某些脚本、启动shell或运行用户程序等等。Init是后续所有进程的发起者,例如:init进程启动/bin/sh程序后,我们才能够在控制台上输入各种命令。

Init进程的执行程序通常都是/sbin/init,上述讲到的init进程的作用只不过是/sbin/init这个程序的功能。如果我们想让init执行自己想要的功能,那么有两种途径:

一,使用自己的init程序,这包括使用自己的init替换/sbin/下的init程序或者修改传递给内核的参数,指定”init=xxx”这个参数,让init环境变量指向自己的init程序; 
二,就是修改init的配置文件,因为init程序的很大一部分的功能都是按照其配置文件执行的。

一般而言,在Linux系统中有两种init程序:BSD init和System V init。BSD和 System V是两种版本的UNIX系统。这两种init程序各有优缺点,现在大多数Linux发行版本使用的都是System V init。但在嵌入式系统中常使用的是Busybox集成的init程序,下面基于它进行介绍。

2.3.1内核如何启动init进程

内核启动的最后一步就是启动init进程,代码在init/main.c文件中,如下所示: 
这里写图片描述 
代码并不复杂,与init启动最强相关的就是run_init_process这个函数了,它运行指定的init程序,注意:一旦run_init_process运行创建进程成功,它将不会返回,而是通过操作内核栈进入用户空间。所以上面并不是运行了四个init进程,而是根据优先级,一旦某一个运行成功,就不往下继续执行了。

下面详细描述一下该函数的执行过程: 
(1)打开标准输入、标准输出和标准错误设备

Linux中最先打开的3个文件分别称作标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误(stderr),它们对应的文件描述符分别是0、1、2.。

如下代码就是执行这个操作,先打开文件/dev/console作为保准输入,然后将文件描述符复制给文件描述符1、2,这样使得标准输入、标准输出以及标准错误都使用/dev/console这个文件。注意代码上面的注释”该函数不能失败,也就是说至少/dev/console必须存在”。 
这里写图片描述 
(2)如果变量ramdisk_execute_command为空,则将其指向/init程序,如果该程序存在,则运行该程序,并且进程不会返回;如果该程序不存在,则置变量ramdisk_execute_command为NULL,代码片段为: 
这里写图片描述 
(3)如果变量execute_command指定了要运行的程序,则运行它,并且不会返回: 
这里写图片描述 
(4)依次尝试几个常见的init,一旦某一个成功,则不返回: 
这里写图片描述 
(5)如果以上执行都失败,那么内核就挂了 
这里写图片描述 
至于init执行失败可能的原因,详见内核文档Documentation\init.txt。

2.3.2init的执行流程

Busybox init程序对应的源代码在init/init.c文件中,下面先介绍其启动过程。 
这里写图片描述 
内核启动init进程的时候已经打开了”/dev/console”设备作为控制台,一般情况下Busybox init程序就是要/dev/console。但是如果内核启动init进程的时候同时指定了环境变量CONSOLE或者console,则init使用环境变量所指定的设备。在Busybox中还会检查这个指定的设备是否可以打开,如果不能打开,则使用/dev/null。

Busybox init进程只是作为其它进程的发起者和控制着,并不需要控制台与用户交互,所以init进程会把它关掉,系统启动后运行命令”ls /proc/l/fd/”可以看到该目录为空。Init进程创建其它子进程的时候,如果没有指名该进程的控制台,则该进程也是有前面确定的控制台,至于怎么为进程指定控制台就通过init的配置文件实现。

2.3.3init的配置文件

Init可以创建子进程,然而究竟应该创建哪些进程呢?这个是可以通过其配置文件定制的,init的配置文件为/etc/inittab文件。

Inittab文件的相关文档和示例代码都在Busybox的examples/inittab文件中,内容如下: 
这里写图片描述 
上图中标有下划线的一行就是inittab文件中每一行内容的格式。Inittab文件中的每个条目用来定义一个子进程,并确定它的启动方法。每一行都分为四个字段,分别用”:”隔开,每个字段的意义如下: 
(1):表示该子进程使用的控制台,如果该字段省略,则使用与init进程一样的控制台。 
(2):该进程的运行级别,Busybox 的init程序不支持运行级别这个概念,因此该字段无意义,如果要支持runlevel意义,则建议使用System V Init程序。 
(3):表示init如何控制该进程,是一个枚举量,可能的取值及相应的意义如下表: 
这里写图片描述 
(4):要执行的程序,可以为可执行程序也可以是脚本,如果字段前面有”-”字符,代表这个程序是可交互的,例如:/bin/sh程序。

最后给出一个inittab文件的内容: 
这里写图片描述

 

3.构建自己的根文件系统

3.1编译Busybox

现在我们开始构建自己的根文件系统,主要工作就是编译Busybox,首先到官网下载最新的源代码,加压缩到自己的工作目录,我这里不列出目录,下面的截图中都包含了完整的路径,请大家看仔细。 
首先解压缩后看看Busybox源代码的目录结构,如下图: 
这里写图片描述 
在源代码目录下有几个文件使我们必须关注的(很多开源代码都有这几个文件,建议在开展实际的工作之前仔细阅读一下这几个文件),主要是:INSTALL、README以及examples目录和docs目录下的文件。 
Busybox可裁剪,而且支持像Linux内核那样的图形化配置界面,运行如下命令即可: 
这里写图片描述 
这个时候可能回报如下错误: 
这里写图片描述

这个时候不必着急,之所以回报这个错误,是因为我们采用的配置界面需要终端的一些特殊配置,而这些配置是需要ncurses库的支持,所以当出现这个错误的时候,说明你的编译环境中没有安装此库,使用如下命令安装好这些库即可。 

Debian/ Ubuntu Linux
apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev

CentOS
yum install ncurses-devel ncurses


在这些库安装好了,之后在运行之前的”make menuconfig”命令,即可出现如下的配置界面: 
这里写图片描述
在这个界面中我们就可以进行裁剪,也就是选中自己需要的功能,其它的就不选择。这里有几个配置选项比较重要,在这单独拿出来说一下,BusyBox将所有配置进行了分类,可以很方便地根据项目的需要进行裁减。 

  1. Busybox Settings --->        //BusyBox的通用配置,一般采用默认值即可。   
  2.     ---Applets  
  3. Archival Utilities --->      //压缩、解压缩相关工具。   
  4. Coreutils --->           //最基本的命令,如cat、cp、ls等。   
  5. Console Utilities --->       //控制台相关命令。   
  6. Debian Utilities --->        //Debian操作系统相关命令。   
  7. Editors --->         //编辑工具,如vi、awk、sed等。   
  8. Finding Utilities --->       //查找工具,如find、grep、xargs。   
  9. Init Utilities --->      //BusyBox init相关命令。   
  10. Login/Password Management Utilities --->   //登陆、用户账号/密码等方面的命令。   
  11. Linux Ext2 FS Progs ---> //ext2文件系统的一些工具。   
  12. Linux Module Utilities --->  //加载/卸载模块等相关的命令。   
  13. Linux System Utilities --->  //一些系统命令。   
  14. Miscellaneous Utilities ---> //一些不好分类的命令,如crond、crontab。   
  15. Networking Utilities --->    //网络相关的命令和工具。   
  16. Print Utilities --->     //print spool服务及相关工具。   
  17. Mail Utilities --->      //mail相关命令。   
  18. Process Utilities --->       //进程相关命令,如ps、kill等。   
  19. Runit Utilities --->     //runit程序。   
  20. Shells --->              //shell程序。   
  21. System Logging Utilities --->    //系统日志相关工具,如syslogd、klogd。  

(1)指定编译后安装的路径 
编译完了Busybox后,我们需要安装,安装可以指定安装路径,在这个界面修改(当然,也可以在Makefile或者编译命令指定) 
这里写图片描述 
从上图我们可以看出,Busybox默认的安装路径是源代码目录的_install目录(该目录不存在,安装的时候自动创建)。

(2) 静态/动态编译 
我们可以静态或者动态编译Busybox,Busybox支持Glibc和Uclibc。选择动态编译,使得Busybox可执行文件更小,选项开关在下图: 
这里写图片描述 
经过上诉步骤之后,相比裁剪的工作已近完成了,这个时候选择配置界面的Exit退出,这个时候会弹出对话框,询问是否保存刚刚的配置,这里选择”保存”,之后就可以看到在源代码目录下多了一个.config文件,如下图: 
这里写图片描述 
.config配置文件里面的内容记录了我们刚刚选中了哪些功能,内容如下: 
这里写图片描述 
每一个都是名值对的形式,名称是一个环境变量,后面的值如果为”Y”就代表选中,注释行代表裁减掉的功能。

好了,现在配置阶段的事情就做完了,接下来就是make,最终编译完成 有如下显示

  1. Trying libraries: crypt m
  2.  Library crypt is not needed, excluding it
  3.  Library m is needed, can't exclude it (yet)
  4. Final link with: m
  5. libbusybox: 0_lib/libbusybox.so.1.20.0
  6. busybox linked against libbusybox: 0_lib/busybox
  7. Linking individual applets against libbusybox (see 0_lib/*)
  8.   DOC     busybox.pod
  9.   DOC     BusyBox.txt
  10.   DOC     busybox.1
  11.   DOC     BusyBox.html

make install 安装完后输出

  1. --------------------------------------------------
  2. You will probably need to make your busybox binary
  3. setuid root to ensure all configured applets will
  4. work properly.
  5. --------------------------------------------------

如果是交叉编译静态busybox  需要先安装交叉编译链 可参考:centos7用crosstool-ng构建交叉工具编译链   https://blog.csdn.net/whatday/article/details/86991907  安装配置好后如下图:

此时只需要执行 

  1. make CROSS_COMPILE=/usr/local/gcc/armv4-unknown-linux-gnueabi/bin/arm-unknown-linux-gnueabi-
  2. make install CROSS_COMPILE=/usr/local/gcc/armv4-unknown-linux-gnueabi/bin/arm-unknown-linux-gnueabi-

就可以完成busybox armv4平台的交叉编译了 完成后查看生成的busybox

虽说Busybox编译成功了,需要的文件也生成了,但是不是意味着我们学习Busybox的过程也结束了呢?显然不是,我们刚刚简单执行了一个”make”命令,就编译成功了,但是我们必须要知道”make”命令背后执行了哪些操作,这个可以从编译过程终端的输出看到执行流程,如下图: 
这里写图片描述 
这里编译输出非常多,我们主要关注其中标注1和2的两条,分别给出解释: 
(1) 解析.config文件 
这里就是上图标注1的那句话,主要的功能就是解析.config文件,之前可以看到.config文件中都是一些宏,这里做的就是将整个文件中的宏分别解析出来,存放到一个.h文件中,文件的存放的路径为: 
这里写图片描述 
注意:config目录是编译过程中生成的。 
文件内容如下: 
这里写图片描述 
(2) 生成最终的配置文件 
通过上面config目录下的文件生成一个完整的.h文件,里面是最终的一个配置文件,内容如下: 
文件内容比较多,而且分为几个独立的部分,我们首先来看看最前面的部分: 
这里写图片描述 
从内容可以看出,这就是我们最终要生成的命令的名字,将它们所有都放在一个数组中。 
接下来看看该文件最后部分的内容: 
这里写图片描述 
从文件内容可以看出,这是上面每个命令的入口函数,命令很有特点,一眼就看出来了哦。从这里可以看出这里是一个函数指针数组,根据传入的下标选择运行不同的函数,这就是为什么在Busybox中命令”ls”的运行效果等同于”busybox ls”,如下图: 
这里写图片描述 
好了,最后再让我们看看编译完Busybox后的安装目录吧: 
这里写图片描述

3.2向Busybox中添加新命令

接下来我们就介绍一下怎么想Busybox中添加自己的命令,这个也就是搞清楚Busybox的组织框架。之前如果有在内核中添加驱动的同学相信在Busybox中添加新的命令难不倒大家哦。

(1) 首先选择命令存放的路径 
Busybox目录下有非常多的子目录,每个目录都放着一类命令,例如:net目录放着与网络相关的,shell放置着与shell相关的命令,我们这里只是为了举例说明添加一个命令的流程,所以我将命令放置在如下目录: 
这里写图片描述 
(2) 其次就是编写命令源文件 
我们要运行自己的命令肯定就得编写自己的源代码,这里主要为了说明流程,所以使用如下简答源代码: 
这里写图片描述 
这里编写源代码有一点一定要注意,Busybox采用统一的命名风格,这个从之前的函数指针数组也能看出,所以我这里命令是”hello_busybox”,那么我的函数名就一定是”hello_busybox_main”。

(3)修改相关的编译文件 
我们将自己的源文件编译进去之后,整个Busybox是不会理会这个文件的存在,即使你这个时候使用”make”命令编译Busybox,也会发现上面的.c源文件并没有被编译,因为我们并没有将这个文件告诉Busybox的编译系统,类似之前放置驱动程序需要修改内核的Kconfig文件一样,我们也需要修改Busybox中类似的文件。 
首先修改如下文件: 
这里写图片描述 
添加自己的命令,格式仿造其它已经存在的条目即可,修改后内容如下: 
这里写图片描述 
修改这里主要是使得执行”make menuconfig”命令的时候,配置界面可以出现我们新增的命令,让用户对该命令可以配置,第一行是标示该命令的一个环境变量;第二行是出现在配置界面上的文字,是一个布尔量,取值为”Y”或者”N”;第三行是这个选项的默认值,这里默认是选中的;第四行和第五行是该命令在配置界面的帮助信息。

修改上面的文件只是让配置界面出现我们这个命令,以及根据是否选择置环境变量”HELLO_BUSY_BOX”为”Y”或”N”,但是它还不能影响Busybox的编译系统是否编译我们的源文件,Busybox到现在甚至不知道我们的源文件叫啥名字。 
接下来我们还需要修改如下文件: 
这里写图片描述 
修改后的内容如下: 
这里写图片描述 
到这里读者应该明白前面修改那个文件最主要的最用了,根据环境变量”HELLO_BUSYBOX”的取值,决定是否编译我们的源文件。

到这主要的工作已经完成了,但是还有部分工作必须得做,首先想想我们的命令(也就是一个名为hello_busybox的指向busybox的软链接文件)生成了放在哪里呢?系统中存放命令的地方很多,例如“/bin”、“/sbin”、“/usr/bin”和“/usr/sbin”等,这就需要修改下面的文件: 
这里写图片描述 
修改后的内容如下: 
这里写图片描述 
这里我们主要关注括号里面的三个参数:第一个是命令的名字;第二个是命令存放的路径,第三个是命令的权限。

接下来我们还要做一件非做不可的事情,就是每个命令都有帮助信息,我们这里也需要为新添加的命令增加帮助信息,修改如下文件: 
这里写图片描述 
修改后的文件如下图: 
这里写图片描述 
好了,至此,在Busybox中添加一条新的命令该做的修改该做都做完了,剩下的就是测试添加的命令是否生效,是否可用。

(4) 编译、测试 
首先是执行配置操作,”make menuconfig”命令,出现顶层的配置界面,选中下图的那一条,按下回车键: 
这里写图片描述 
进入子条目后就很容易看到我们添加的那条命令了,如下图中选中的那条: 
这里写图片描述 
做好了配置工作之后我们就可以执行编译操作了,在看编译过程之前,先让我们看看有没有生成我们的配置文件,如下图: 
这里写图片描述 
文件内容如下: 
这里写图片描述 
这里有个很奇怪的问题,我们新加的命令的名字是”hello_busybox”,那么生成的配置文件应该是”hello_busybox.h”,但是各位看官仔细看看上面出现了什么情况:竟然在config目录下生成了hello子目录,然后在里面放置”busybox.h”文件,相信大家也猜到了规律,那就是Busybox会将名字做拆分,以”_”为分割字符,最后一个才是文件名,前面的都是子目录,这个我没有再去验证,但我认为应该是这样的。

好了,接下来我们就执行”make”命令,截图如下: 
这里写图片描述 
从上图中可以看到,我们新加的命令成功生成,也安装的目录也正确。 
接下来我们就去执行一下我们的命令,如下图: 
这里写图片描述 
从上面图中三条命令的执行情况来看,我们添加命令成功。

 

4.附录

4.1Busybox实现的简单分析

在这里,我们来简要的分析一下Busybox的实现过程,在前面的第3点中已经提及了一部分这方面的内容。

在前面也分析了Busybox的目录结构,那种分法是比较僵硬的,因为完全是按照目录来划分的,其实如果要更好的理解Busybox的实现,那么我们应该将它划分为两个部分:第一,这部分主要是各个命令(applets)的实现,其实大家也发现了,很多目录都属于这部分,只不过它们按照功能细分了,例如网络命令(networking目录)、编辑命令(editors目录)等,这部分也可以理解为是Busybox(各个命令)的启动代码部分;第二部分则是libbb目录下的内容,也就是Busybox(各个命令)的共享代码部分。

下面我们分别来介绍这两部分的主要内容:

4.1.1applets的实现

目录”applets”包含了Busybox的启动代码(applets.c和Busybox.c),以及几个包含独立命令的子目录。

Busybox从applets/busybox.c文件中的main()函数开始执行,该main函数将变量applet_name赋值为argv[0],然后调用applets/applets.c文件中的run_applet_and_exit()函数继续执行。run_applet_and_exit()函数使用applets[]数组(定义在include/busybox.h中,在include/applets.h中填充内容)将程序的控制权传递给APPLET_main()函数(例如:cat_main()或sed_main())。独立的applet命令从这里开始接管执行。

这就是为什么Busybox下的不同名称的命令调用不同的功能:main()函数使用argv[0]作为参数在applets[]数组中查找合适的指向APPLET_main()函数的函数指针。

Busybox中的applets同样可以通过复用器”busybox”applet(查看libbb/appletlib.c文件中的函数Busybox_main())调用,以及通过单独的shell(在shell/*.c中使用grep命令查找SH_STANDALONE)。关于使用这两种机制调用命令更多的信息可以查看官网信息,其实它们只是通过不同的路径调用APPLET_main()函数。

命令(applet)子目录(archival,console-tools, coreutils, debianutils, e2fsprogs, editors, findutils, init, loginutils,miscutils, modutils, networking, procps, shell, sysklogd, and util-linux)对应着menuconfig中的子菜单的配置项。每一个子目录都包含实现相应子菜单命令的代码,每一个子目录下有一个Config.src文件,用于产生menuconfig菜单,有一个Kbuild.src文件用于生产类似Makefile功能的文件。

运行时的—help信息是保存在usage_message[]数组中的,该数组通过从usage.h中获取帮助信息,在applets/applets.c中初始化该数组。在编译的过程中,这些帮助信息同样被用于在docs目录下产生Busybox的文档(html,txt和man页面格式)

4.1.2libbb的实现

绝大多数非启动且在各个Busybox命令(applets)中共享的代码都放在libbb目录下。该目录多年未清理,比较杂乱。如果有人想寻找一个好的项目参加到Busybox的开发中,那么将libbb进行文档结构化将会是十分有帮助的,而且是个不错的锻炼机会。

在libbb的共同主题包括分配功能测试失败和中止程序的错误消息,以便调用者不用测试返回值(xmalloc(),xstrdup()等),经过封装的open(),close(),read(),write(),这些经过封装的函数可以测试自己的失败和/或自动重试,也包含链表管理功能的函数(llist.c),命令行参数的解析(getopt32.c),和一大堆其它的内容。

4.2Busybox配置选项说明

下面说一下Busybox中主要的配置项及其含义,主要是顶层的配置项:顶层的配置项分为两类,第一类是支持的命令,这部分其实也就是各个子目录的配置,在2.2Busybox目录结构简介一节已经提到了;第二类就是Busybox自身相关的,例如:编译选项、安装路径等,这部分在3.1编译Busybox一节已经提到了。

 

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