在虚拟机里换上自己的 Linux 内核

这篇要完成的事只有一件：在 VMware 里的 Ubuntu 上，编译安装自己的内核，并加载一个自己写的 .ko。

编译和换内核都在这台虚拟机里做，耗 CPU、内存和磁盘，还要进 GRUB。网络不稳时，长时间编译和 SSH 容易中断；内核没换上，模块也对不上正在跑的版本。因此先配静态 IP，再换内核，最后写模块。

为何在虚拟机中编译内核

内核是操作系统最里面那一层：管 CPU、内存、磁盘、网卡和进程调度。终端、浏览器、apt 都在用户态，不能直接碰硬件，只能通过 read、write、mmap 等系统调用请内核代劳。

uname -r 打出来的就是当前正在跑的内核版本。后面编模块时，.ko 必须和这份内核用同一套头文件与 ABI，所以「先换成自己的内核」不是可选步骤。

主机是 Windows。虽然装过 Ubuntu 双系统，但更换内核可能影响已有软件依赖，所以没有在双系统那套 Ubuntu 上做这次实验，而是单独建了一台 VMware 虚拟机。编译仍会占磁盘、耗时间，但坏了可以回快照，不必拿日常环境试错。下面先给这台虚拟机配静态 IP，避免长时间编译时 DHCP 换地址、SSH 断开。

为虚拟机配置静态 IP

VMware 的 VMnet8 默认是 NAT：虚拟机走宿主机上网。网卡只能跟同一网段的设备直接说话，出网段必须交给默认网关。包的路径是：

Ubuntu → Gateway（通常是网段的 .2）→ VMware NAT → Windows 真实网卡 → 外网

记录 VMnet8 网段与网关

打开 Virtual Network Editor，选 VMnet8：

再看 Windows：控制面板 → 网络和共享中心 → 更改适配器 → VMware Network Adapter VMnet8，宿主机在这张网上一般是 .1，本文写作 ip1。

配置 Ubuntu 静态 IPv4

设置 → Network → IPv4 → Manual：

1. Address：ip3（同一网段，且不要占用 .0 / ip1 / ip2，也避开 DHCP 池）
2. Netmask：255.255.255.0（前 24 位）
3. Gateway：ip2
4. DNS：公共解析即可，例如 8.8.8.8、223.5.5.5（这是告诉系统「域名翻译服务器在哪」，不是你的机器 IP）

新开终端检查：

hostname -I

应能看到 ip3。至此这台实验机地址固定，可以安心编几个小时内核。

编译并安装自定义内核

内核不必做成一块巨大的二进制。功能可以编进内核（[*]）、编成模块 [M]（生成 .ko，用时再加载）、或不编 [ ]。lsmod 看已加载的模块。

准备源码与 .config

查看当前版本，到 kernel.org 选接近的版本（下面以 5.15.221 为例；uname -r 若是 5.15.0-139-generic，选 5.15.x 比跨大版本更省事）：

uname -r
tar -Jxvf linux-5.15.221.tar.xz
cd linux-5.15.221
cp /boot/config-$(uname -r) .config
make olddefconfig

make olddefconfig：在已有 .config 上补全新选项的默认值，不弹问答。它只更新配置，不编译内核。

kernel.org 原版源码里没有 Ubuntu 那两份证书文件，需要把信任链路径清空，否则配置会指向不存在的文件：

./scripts/config --file .config --set-str SYSTEM_TRUSTED_KEYS ''
./scripts/config --file .config --set-str SYSTEM_REVOCATION_KEYS ''

要确认「开机的是自己编的那份」，可在 init/main.c 的 start_kernel() 开头加一行（行号随版本会变）：

printk(KERN_ALERT "Hello, World! This is a custom kernel!\n");

编译与磁盘空间

第一次编译很久，虚拟机核心数、内存、剩余磁盘都要够。先看空间：

df -h /

实测：

不够就关掉调试信息后再 make olddefconfig：

./scripts/config --disable DEBUG_INFO_BTF_MODULES
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_BTF
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_DWARF4
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_DWARF_TOOLCHAIN_DEFAULT
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_REDUCED
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_COMPRESSED
./scripts/config --disable DEBUG_INFO_SPLIT
./scripts/config --disable DEBUG_INFO
./scripts/config --disable NFSD
make olddefconfig

然后（-j 不要超过虚拟机 CPU 核数）：

sudo make -j8

编完源码根目录应出现 modules.order（完整编完模块后的清单）。GCC 在这里的角色很简单：把 .c 译成内核/模块能跑的机器码。

磁盘写满后的扩容

编译把根分区写满时，不要立刻关机去做虚拟机扩容。系统空间为 0 时直接关机，可能再也进不去桌面（黑屏）。

应先在还能进系统时清出一点空间（例如删临时文件、未完成的编译产物），再关机。然后在 VMware 虚拟机设置里把虚拟磁盘调大。扩容只增大 .vmdk，客户机里多出来的是未分配空间，还要用分区工具并进文件系统。

1. 仍能进入 Ubuntu 时：安装并打开 GParted，把根分区扩展到未分配区域。
2. 已经黑屏、无法进入系统时：用 Ubuntu 安装镜像启动，选 Try Ubuntu，在 Live 环境里打开 GParted，同样把扩容后多出的未分配空间并进根分区。

安装、更新 GRUB、验证

sudo make INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install
sudo make install
ls /lib/modules/5.15.221
sudo update-grub

重启后应能进新内核。make install 之后，GRUB 第一项通常已经是刚编的版本。

加载时应能在内核日志里看到自定义 printk。确认：

uname -r
sudo dmesg | grep -i hello

uname -r 变成 5.15.221（或你编的版本），dmesg 里有那句 Hello，这一段才算完成。后面的模块会按 uname -r 去找 /lib/modules/.../build，所以必须先走到这一步。

编写并加载内核模块

模块是「不必重编整颗内核、又能跑在内核里」的那一层。它会 insmod 进正在运行的内核，因此必须走内核自带的 Kbuild，而不是 gcc hello.c -o hello。目录用当前内核的构建树：/lib/modules/$(uname -r)/build。

源码与 Makefile

在干净目录创建 hello_module.c：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

static int __init hello_init(void)
{
	printk(KERN_INFO "Hello, Kernel!\n");
	return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
	printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("username");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world Linux kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

同一目录 Makefile（配方行必须是 Tab，不能是空格）：

obj-m += hello_module.o

all:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

加载与卸载

make
sudo insmod hello_module.ko
sudo dmesg | tail
sudo rmmod hello_module
sudo dmesg | tail
make clean

成功时日志里会有 Hello, Kernel! 和卸载后的 Goodbye, Kernel!。make 日志里 Entering directory 应指向你上一节安装的那份内核源码/build，而不是发行版自带的另一棵树。

小结

下次若 insmod 失败，先查 uname -r 和 ls /lib/modules/$(uname -r)/build，确认是否还在发行版内核上，或 Makefile 是否指错了构建树。