QEMU 调试 Linux 内核环境搭建

元信息

• 类型：技术博客 / 实验环境教程
• 作者/机构：知乎「玩转Linux内核」
• 原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/499637419
• 阅读日期：2026-07-22
• 关联主题：QEMU、GDB、Linux 内核调试、BusyBox rootfs
• 阅读状态：粗读并整理为操作笔记

一句话结论

这篇文章的核心价值是：搭一个最小但可调试的 Linux 内核运行环境。它用 bzImage 作为内核镜像，用 BusyBox 做最小根文件系统，用 QEMU 启动虚拟机，再用 GDB 连接 QEMU，在宿主机上给内核函数打断点。

阅读目的

• 后续读 Linux 内核源码时，不只停留在静态阅读，而是能在 QEMU 里跑起来验证调用路径。
• 建立“内核镜像 + rootfs + 启动参数 + GDB 远程调试”的基本实验模型。
• 理解常见 QEMU/GDB 参数，之后调系统调用、VFS、调度、内存管理时能复用。

整体流程

下载并编译 Linux 内核
  -> 得到 bzImage 和 vmlinux
编译 BusyBox
  -> 提供 shell 和基础命令
制作 rootfs.img
  -> 作为虚拟机根文件系统
用 QEMU 启动内核
  -> 运行一个最小 Linux 系统
用 GDB 连接 QEMU
  -> 给内核函数打断点调试

这里要分清两个关键文件：

核心概念

1. 编译 Linux 内核

下载内核源码：

wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.191.tar.gz

命令解释：

解压源码：

tar -xvf linux-4.14.191.tar.gz

命令解释：

进入源码目录并生成默认配置：

cd linux-4.14.191
export ARCH=x86
make x86_64_defconfig
make menuconfig

命令解释：

调试内核时需要重点改两个配置：

Kernel hacking  --->
    [*] Kernel debugging
    Compile-time checks and compiler options  --->
        [*] Compile the kernel with debug info
        [*] Provide GDB scripts for kernel debugging

Processor type and features  --->
    [ ] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

解释：

开始编译：

make -j 20

命令解释：

编译完成后重点产物：

linux-4.14.191/arch/x86_64/boot/bzImage
linux-4.14.191/vmlinux

2. 配置 BusyBox

BusyBox 用来给最小系统提供用户态工具。下载和解压文章没有给出完整 URL，但流程是：

tar -jxvf busybox-1.32.0.tar.bz2
cd busybox-1.32.0
make menuconfig

命令解释：

需要打开静态编译：

Settings  --->
    [*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

为什么要静态编译：

• 静态编译会把 BusyBox 需要的库尽量打进二进制里。
• 最小 rootfs 里不需要额外准备复杂的动态链接库。
• 对刚搭调试环境的人来说，启动失败概率更低。

3. 制作 rootfs

创建一个 10 MiB 的磁盘镜像文件：

dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=1M count=10

命令解释：

把镜像格式化为 ext4：

mkfs.ext4 rootfs.img

命令解释：

挂载镜像，准备写入文件：

mkdir fs
sudo mount -t ext4 -o loop rootfs.img ./fs

命令解释：

把 BusyBox 安装进 rootfs：

sudo make install CONFIG_PREFIX=./fs

命令解释：

补充最小目录和配置：

cd fs
sudo mkdir proc dev etc home mnt
sudo cp -r ../examples/bootfloppy/etc/* etc/
sudo chmod -R 777 .
cd ..

命令解释：

卸载 rootfs：

sudo umount fs

解释：写入完成后必须卸载，让缓存数据刷回 rootfs.img。否则镜像可能内容不完整。

4. 用 QEMU 启动内核

基础启动命令：

qemu-system-x86_64 \
  -kernel ./linux-4.14.191/arch/x86_64/boot/bzImage \
  -hda ./busybox-1.32.0/rootfs.img \
  -append "root=/dev/sda console=ttyS0" \
  -nographic

命令解释：

退出 QEMU：

Ctrl-a c

解释：在 -nographic 模式下，先按 Ctrl-a，松开后再按 c，进入 QEMU monitor，再执行退出命令。不同环境也可用 Ctrl-a x 直接退出。

5. 用 GDB 调试内核函数

启动 QEMU 时加入调试参数：

qemu-system-x86_64 \
  -kernel ~/linux-4.14.191/arch/x86_64/boot/bzImage \
  -hda ~/busybox-1.32.0/rootfs.img \
  -append "root=/dev/sda console=ttyS0" \
  -s -S \
  -smp 1 \
  -nographic

命令解释：

在另一个终端启动 GDB：

gdb ./linux-4.14.191/vmlinux

命令解释：

连接 QEMU：

target remote localhost:1234

解释：

给内核函数下断点：

b new_sync_read
continue

命令解释：

在 QEMU 里的 Linux shell 执行：

ls

为什么 ls 会触发断点：

• ls 需要读取目录和文件信息。
• 读文件路径会进入 VFS 和具体文件系统读路径。
• new_sync_read 是内核同步读路径中的函数之一，所以可能被触发。

这个例子说明：调内核不是只看源码函数，而是通过用户态命令触发真实内核路径，再用 GDB 停在目标函数上观察调用栈和变量。

6. 添加共享磁盘

创建 64 MiB 共享磁盘镜像：

dd if=/dev/zero of=ext4.img bs=512 count=131072
mkfs.ext4 ext4.img

命令解释：

QEMU 启动时增加第二块磁盘：

qemu-system-x86_64 \
  -kernel ~/linux-4.14.191/arch/x86_64/boot/bzImage \
  -hda ~/busybox-1.32.0/rootfs.img \
  -hdb ~/shadisk/ext4.img \
  -append "root=/dev/sda console=ttyS0" \
  -s \
  -smp 1 \
  -nographic

命令解释：

在 QEMU 虚拟机里挂载共享盘：

mount -t ext4 /dev/sdb /mnt

命令解释：

在宿主机挂载同一个镜像：

mkdir -p share
sudo mount -t ext4 -o loop ext4.img ./share

解释：

• 宿主机把 ext4.img 当作普通镜像文件挂载到 share。
• QEMU 把同一个 ext4.img 当作第二块磁盘。
• 这样可以在宿主机和虚拟机之间交换文件。

注意：同一个 ext4 镜像同时被宿主机和虚拟机读写有一致性风险。实验时最好避免两边同时写，写完一边后卸载，再到另一边挂载使用。

关键细节

• bzImage 用来启动，vmlinux 用来调试；不要拿 bzImage 给 GDB 当符号文件。
• 调试内核前关闭 KASLR，否则断点地址可能和实际运行地址不一致。
• -s -S 是 QEMU 内核调试最常用组合：开 GDB 端口，并在第一条指令前暂停。
• console=ttyS0 -nographic 让整个虚拟机在终端里交互，适合服务器和纯命令行环境。
• BusyBox 静态编译可以减少动态库依赖，是做最小 rootfs 的省事方案。
• root=/dev/sda 依赖 QEMU 磁盘参数；如果换成 virtio 磁盘，设备名可能变成 /dev/vda。

常见误解

和当前主题的关系

这篇不是讲某个内核子系统的理论，而是给 Linux 内核阅读提供实验底座。后续读 VFS、系统调用、文件系统、调度、内存管理时，可以用这个环境：

• 在目标内核函数上下断点。
• 用用户态命令触发内核路径。
• 观察调用栈、参数、结构体字段。
• 把“源码里的静态结构”对应到“运行时的真实路径”。

疑问

可迁移启发

• 读内核源码时，最好同时准备“触发命令”。例如读 VFS，不只是看 fs/read_write.c，还要设计 cat、ls、dd 之类的触发动作。
• 内核调试环境要区分“运行文件”和“调试符号文件”：运行靠镜像，调试靠符号。
• 最小实验系统越简单，越容易定位问题。先用 BusyBox + 单 CPU + 关闭 KASLR 跑通，再逐步增加复杂度。

来源摘记

• 原文说明最小可运行 Linux 系统需要内核镜像 bzImage 和 rootfs。
• 原文使用 Linux 4.14.191、BusyBox 1.32.0、QEMU、GDB 远程调试完成实验。
• 原文示例通过在 new_sync_read 打断点，再在虚拟机中执行 ls 来触发内核读路径。