根文件系统及Busybox详解之一

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根文件系统及Busybox简介

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                                                                 4/5/2013

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。

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。

目录	说明
applets	主要是实现applets框架的文件
applets_sh	一些有用的脚本，例如：dos2unix、unix2dos等
archival	与压缩有关的命令源文件，例如：bzip2、gzip等
configs	自带的一些默认配置文件
console-tools	与控制台相关的一些命令，例如：setconsole
coreutils	常用的核心命令，例如：cat、rm等
editors	常用的编辑命令，例如：vi、diff等
findutils	用于查找的命令，例如：find、grep等
init	init进程的实现源文件
networking	与网络相关的命令，例如：telnetl、arp等
shell	与shell相关的实现，例如：ash、msh等
util-	Linux下常用的命令，主要是与文件系统相关的，例如：mkfs_ext2等

 

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：第一，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；第二，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：

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”。

(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：

(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：

(4)依次尝试几个常见的init，一旦某一个成功，则不返回：

(5)如果以上执行都失败，那么内核就挂了

    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。

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：

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：

Action取值	执行条件	说明
sysinit	系统启动后最先执行	只执行一次，init等它执行完后在执行下面的
wait	系统执行完sysinit进程后	只执行一次，init等它执行完后在执行下面的
once	系统执行完wait进程后	只执行一次，init进程不等待它结束
respawn	系统启动完once进程后	Init进程发现子进程退出，则重新启动它
askfirst	系统启动完respawn进程后	与respawn类似，不过init进程先输出”Please press Enter to active this console”，等待用户输入回车键后才启动子进程
shutdown	系统关机时	——
restart	当Busybox配置了CONFIG_FEATURE_USE_INNITTAB, 且init进程接收到了SIGHUP信号	先重新读取、解析inittab文件，再执行restart程序
ctraltdel	按下Ctrl+Alt_Del组合键时	——

 

(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：

注意：如果inittab配置文件不存在，那么init就执行默认的配置：

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：

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：

这个时候可能回报如下错误：

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。

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：

    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，至于完整的选项说明，请见附录。

(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)

    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：

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：

.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：

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，接下来就是编译Busybox了，相信大家对编译开源代码不会陌生，直接执行如下命令即可：

编译之后看看源代码目录都生成了一些啥：

从上图可以很清楚的看到生成了两个可执行文件，也就是我们需要的Busybox可执行文件，编译阶段的工作也做完了。

接下来我们安装Busybox，使用如下命令：

接下来到安装目录_install下看看，都安装了些啥：

从最下面的一个”ls”命令可以看出，虽然在/bin目录下有很多命令，但是其实只有一个真正的可执行文件，也就是我们前面的生成的Busybox文件，其它文件都是到Busybox的软链接(可以在配置界面设置为硬链接，这对于系统对inode数量有限制的情况下特别有用)。

至于软链接，这个从”make install”安装命令的执行过程中也可以看出来，如下图：

好了，至此，我们的Busybox也就完成了。

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：

    注意：config目录是编译过程中生成的。

文件内容如下：

(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：

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：

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：

好了，最后再让我们看看编译完Busybox后的安装目录吧：

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：

(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：

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：

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：

修改后的内容如下：

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：

修改后的内容如下：

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：

修改后的文件如下图：

     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：

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：

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：

文件内容如下：

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：

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：

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。

备注：pdf版本就不发了，内容和博客一样，需要的朋友可留下邮箱。下一篇再好好分析一下Busybox内部的实现。