[TinyLinux-003] 根文件系统构建：BusyBox 与 init 脚本

系列简介：TinyLinux 是由 LabHub 发起的"大道至简"Linux 学习项目。我们通过对内核进行"剔骨"级的物理精简，旨在构建一个 100% 透明、可重现的极简实验室。

公众号：LabHub | 项目仓库：https://gitee.com/lynyujiang/tiny-linux.git

🛠 技术看板

1. 知识点详注 (Technical Glossary)

• BusyBox：被称为"嵌入式 Linux 的瑞士军刀"，它将 300+ 个常用 Linux 命令（如 ls、cp、sh）整合进一个单一的可执行文件。TinyLinux 中使用静态编译，所有 applet 都包含在一个 2.2MB 的二进制文件中。
• init 进程：Linux 系统启动后运行的第一个进程（PID=1），负责初始化系统、挂载文件系统、启动后续服务。TinyLinux 使用 BusyBox 的 init 作为主 init 进程。
• mdev：BusyBox 提供的轻量级设备管理器，是 udev 的简化版本。它通过读取 /etc/mdev.conf 配置文件，在设备插入/移除时自动创建/删除设备节点。
• overlay 文件系统：一种分层文件系统技术。TinyLinux 使用 overlay 目录存放自定义配置文件，在构建时合并到根文件系统中。
• cpio + XZ：根文件系统打包格式。cpio 用于创建归档，XZ 使用 LZMA2 算法进行高压缩率压缩。

2. 理论背景 (Deep Theory)

2.1 为什么需要根文件系统？

内核启动后，需要挂载一个根文件系统（Root Filesystem）来提供：

1. 用户空间程序：如 shell、init 脚本、系统工具
2. 设备节点：/dev 目录下的终端、磁盘等设备
3. 配置文件：/etc 目录下的系统配置
4. 挂载点：/proc、/sys、/dev 等虚拟文件系统的挂载位置

对于嵌入式系统，根文件系统需要极致精简，同时保证基本功能完整。

2.2 TinyLinux 的根文件系统架构

rootfs/
├── bin/              # 核心用户命令 (busybox + symlinks)
├── sbin/             # 系统管理命令 (busybox symlinks)
├── usr/bin/          # 用户命令 (busybox symlinks)
├── usr/sbin/         # 系统管理命令 (busybox symlinks)
├── dev/              # 设备节点 (静态创建 + mdev 动态管理)
├── etc/              # 配置文件
│   ├── init.d/       # init 启动脚本
│   ├── mdev.conf     # mdev 设备管理配置
│   └── profile       # shell 环境配置
├── lib/              # 共享库 (静态编译无需)
├── proc/             # proc 文件系统挂载点
├── sys/              # sysfs 文件系统挂载点
├── root/             # root 用户家目录
└── init -> sbin/init # init 进程入口

2.3 启动流程

内核启动
    ↓
挂载根文件系统 (RAMFS)
    ↓
执行 /init (PID=1)
    ↓
BusyBox init 读取 /etc/inittab
    ↓
执行 /etc/init.d/rcS
    ↓
挂载 /proc、/sys、/dev
    ↓
启动 mdev 设备管理器
    ↓
执行 /etc/profile 设置环境变量
    ↓
启动 shell (/bin/sh)
    ↓
显示提示符 TinyLinux#

3. 源码与脚本深度走读 (Source Code Dive)

3.1 核心构建脚本：build_rootfs.sh

#!/bin/bash
###############################################################################
# TinyLinux - Build Rootfs (BusyBox)
###############################################################################
set -e
export LC_ALL=C

SCRIPT_DIR="$(cd "$(dirname "${BASH_SOURCE[0]}")" && pwd)"
source "${SCRIPT_DIR}/../env.sh"

STAGING_DIR="${TINYLINUX_TARGET_DIR}/rootfs_staging"

cd "${TINYLINUX_ROOTFS_DIR}"

# 1. 编译 BusyBox
echo_info "Compiling BusyBox..."
make "${TINYLINUX_MAKE_JOBS}"

# 2. 安装到临时目录
echo_info "Installing BusyBox to staging..."
sudo make install CONFIG_PREFIX="${STAGING_DIR}"

# 3. 组装根文件系统
cd "${TINYLINUX_TOP_DIR}"

# 创建基础目录结构
sudo mkdir -p "${STAGING_DIR}"/{dev,proc,sys,etc,etc/init.d,root,tmp,mnt,var,run,lib,usr/lib}

# 创建静态设备节点
sudo mknod -m 600 "${STAGING_DIR}/dev/console" c 5 1
sudo mknod -m 666 "${STAGING_DIR}/dev/null" c 1 3
sudo mknod -m 666 "${STAGING_DIR}/dev/ttyS0" c 4 64

# 合并 overlay 自定义文件
sudo cp -rf "${TINYLINUX_CUSTOM_DIR}/"* "${STAGING_DIR}/"

# 创建 init 符号链接
sudo ln -sf sbin/init "${STAGING_DIR}/init"

# 创建 /etc/passwd
echo "root:x:0:0:root:/root:/bin/sh" | sudo tee "${STAGING_DIR}/etc/passwd"

# 4. 剥离二进制文件符号表（减小体积）
sudo strip "${STAGING_DIR}/bin/busybox"

# 5. 打包为 cpio + XZ 压缩
(cd "${STAGING_DIR}" && sudo find . -mindepth 1 | sudo cpio -H newc -o | xz --check=crc32 --lzma2=dict=1MiB > "${TINYLINUX_TARGET_DIR}/rootfs.cpio.xz")

echo_info "Rootfs build finished."

3.2 init 启动脚本：overlay/etc/init.d/rcS

#!/bin/sh
# TinyLinux Minimal Init

# 1. 基础挂载
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys
mount -t devtmpfs devtmpfs /dev 2>/dev/null || true

# 2. 设置主机名
# hostname TinyLinux

# 3. 打印精简欢迎语
cat /etc/issue 2>/dev/null

说明：这是系统启动后执行的第一个用户空间脚本，负责挂载虚拟文件系统和设备。

3.3 Shell 环境配置：overlay/etc/profile

# /etc/profile: Minimal shell setup
export PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
export PS1='TinyLinux# '

# 常用别名
alias ll='ls -l'
alias df='df -h'
alias free='free -h'

# 自动打印版本（如果存在）
[ -f /etc/version ] && cat /etc/version

3.4 设备管理配置：overlay/etc/mdev.conf

# /etc/mdev.conf
# 格式：devicename_regex user:group mode [action]

# 核心设备
null        0:0 666
zero        0:0 666
console     0:5 600
tty         0:5 666

# 串口设备
ttyS[0-9]*  0:20 660

# 磁盘设备
sd[a-z][0-9]* 0:6 660
vd[a-z][0-9]* 0:6 660

# 输入设备
event[0-9]* 0:0 660 =input/

# 热插拔支持（USB 设备）
sd[a-z][0-9]* 0:0 660 */lib/mdev/usb_handler

4. 配置详解 (Config & Engineering)

4.1 BusyBox 核心配置

4.2 启用的主要 Applet（368 个）

4.3 overlay 目录结构

overlay/
├── etc/
│   ├── init.d/
│   │   └── rcS           # 启动脚本
│   ├── mdev.conf         # 设备管理配置
│   ├── profile           # Shell 环境配置
│   └── network/
│       └── interfaces    # 网络配置（可选）
└── lib/
    └── mdev/
        └── usb_handler   # USB 热插拔处理脚本

4.4 根文件系统优化

5. 工程实验步骤 (Lab Steps)

5.1 加载 BusyBox 配置

cd /home/devhub/xlabs/tiny-linux
source env.sh
./scripts/config_rootfs.sh

5.2 修改 BusyBox 配置（可选）

# 打开 menuconfig 界面
./scripts/make_busybox_menuconfig.sh

# 导航路径示例：
# Settings -> Build static binary (no shared libs) -> 选中
# Applets -> Archival Utilities -> tar -> 选中
# Applets -> Coreutils -> ls -> 选中

5.3 保存配置（修改后）

./scripts/save_busybox_config.sh

5.4 构建根文件系统

./scripts/build_rootfs.sh

5.5 完整构建（内核 + 根文件系统）

./scripts/make_all.sh

5.2 观察点 (Observation Points)

构建过程中重点关注：

[2/4] 编译 BusyBox...
  CC      applets/applets.o
  CC      archival/libarchive/data_extract_all.o
  ...
  LINK    busybox_unstripped
Final link with: resolv
✅ BusyBox: output/rootfs_staging/bin/busybox (2.2MB)

[4/4] 生成 RAMFS 镜像...
✅ RAMFS: output/target/rootfs.cpio.xz (995KB)

检查 Applet 数量：

./busybox-1.36.1/busybox --list | wc -l
# 输出：368

5.3 避坑指南

6. 验证与重现

6.1 启动测试

./scripts/run_qemu.sh

6.2 预期启动日志

[    0.000000] Linux version 6.12.51-tinylinux
[    0.000000] Command line: console=ttyS0
[    1.120000] Run /init as init process
[    1.200000] mount: mounting proc on /proc failed: No such file or directory
[    1.250000] mount: mounting sysfs on /sys failed: No such file or directory
[    1.300000] mount: mounting devtmpfs on /dev failed: No such file or directory
[    1.640000] tsc: Refined TSC clocksource calibration: 2400000 kHz
[    3.190000] TinyLinux#

6.3 系统验证命令

# 1. 查看进程
ps

# 2. 查看挂载点
mount

# 3. 查看设备
ls -l /dev/

# 4. 查看内存使用
free -h

# 5. 测试 shell 功能
echo"Hello TinyLinux"
ll /bin/

6.4 对应提交

⚠️ 注意：Git 提交信息请执行 git log --oneline -5 获取最新提交。

7. 总结与延伸

7.1 本章收获

通过本章，我们掌握了根文件系统构建的核心技能：

• ✅ 理解了根文件系统的作用和架构
• ✅ 学会了 BusyBox 的配置和编译方法
• ✅ 掌握了 init 启动脚本的编写
• ✅ 了解了 mdev 设备管理器的工作原理
• ✅ 能够独立构建和定制根文件系统

7.2 思考题

1. 如果要在 TinyLinux 中添加网络功能，需要修改哪些配置文件？
2. mdev 和 udev 有什么区别？为什么嵌入式系统选择 mdev？
3. 如何实现开机自动运行自定义脚本？
4. 如果要支持 USB 设备热插拔，需要添加哪些配置？

7.3 下一章预告

在 [TinyLinux-004] 中，我们将深入 QEMU 虚拟化世界，学习如何调试和优化系统启动流程。敬请期待！

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