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User-Mode Linux¹ 簡稱 UML，類似 container 等級的輕量虛擬化，但不需要和 host 共用 kernel。 UML 在 host 上已單一執行檔的形式存在，提供 kernel 測試開發一個更好的隔離環境 (sandbox)。

UML 並不是一個熱門的項目，且限制不少，例如速度不快且不支援 SMP ²，因此整體應用範圍較為侷限，比較完整的應用還是需要使用 KVM + QEMU。

Compile

測試可以直接套用該平台精簡的預設選項 make ARCH=um defconfig。若不是無中生有則需要設定額外架構專屬的選項，不知道怎麼選可以參考 Kconfig³⁴ 的說明。後續的例子需要用到的 hostfs 務必開啟。

Host filesystem (HOSTFS) [N/m/y/?] (NEW) y

直接執行 make ARCH=um -j$(nproc) 進行編譯，完成之後會產生一隻 linux 執行檔，但直接執行還不會動，因為還缺少 rootfs。

[    0.240000] VFS: Cannot open root device "98:0" or unknown-block(98,0): error -6
[    0.240000] Please append a correct "root=" boot option; here are the available partitions:
[    0.240000] Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(98,0)
[    0.240000] CPU: 0 PID: 1 Comm: swapper Not tainted 5.4.13 #15
[    0.240000] Stack:
[    0.240000]  6349bd50 607a8e00 600bad00 600badba
[    0.240000]  00008001 62d5a000 6349bd60 607a8e5c
[    0.240000]  6349be80 6006eb49 6098560b 600badba
[    0.240000] Call Trace:

Rootfs

準備 rootfs 的方法很多，常見的工具有 debian 的 debootstrap, Multistrap，或 buildroot, OpenEmbedded 等。

但是 rootfs 以 image 形式還是有點麻煩，而 UML 支援透過 hostfs 存取 host 底下特定目錄，因此也不意外可以透過 hostfs 指定目錄作為 rootfs。手邊如果有現成的 chroot 環境，就可以直接拿來餵給 UML 用。

此外，也可以拿 Gentoo Stage 3 或 Alpine Mini Root 解開來用即可。好處是自帶套件管理系統，之後打通網路後新增應用程式會方便很多。

以下以 gentoo 為例，直接拉 stage3 tarball 解開到 $HOME/hostfs 來用。

$ mkdir $HOME/hostfs
$ wget http://distfiles.gentoo.org/releases/amd64/autobuilds/current-stage3-amd64/stage3-amd64-<release>.tar.xz
# tar xpvf stage3-amd64-<release>.tar.xz --xattrs-include='*.*' --numeric-owner -C $HOME/hostfs

Launch with Hostfs

執行下列指令就可以啟動 UML 帶起位於 $HOME/hostfs 的 rootfs。UML 可以使用額外的參數，詳情可參可 linux --help。

# ./linux root=/dev/root rootfstype=hostfs rootflags=$HOME/hostfs/ rw mem=128MB init=/bin/bash 

記得把 procfs 和 sysfs 這兩個和 kernel 溝通重要的界面掛起來。如果有開啟 CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT，啟動的過程中會自動掛載 devtmpfs 到 /dev，也要先卸載掉。

UML# mount -t proc proc proc/
UML# mount -t sysfs sys sys/

Install Kernel Modules

$ make ARCH=um modules
$ make ARCH=um _modinst_ MODLIB=$HOME/lib/modules/$KERNELRELEASE

Debugging with GDB

(… 這次沒機會用到 …)

References

Jserv: 透過 User-Mode-Linux 來學習核心設計 (1) (2). 2007.
Jserv: 建構 User-Mode Linux 的實驗環境. 2020.
Wikipedia: User-mode Linux
Gentoo: user-mode linux guide
Arch Linux: user-mode linux
Christine Dodrill: How to Use User Mode Linux. 2019.
Rob’s quick and dirty UML howto
Advanced testing with UserModeLinux. 2019.

User Mode Linux Quicknote