アーキテクチャシミュレータ gem5 には，Systemcall Emulation (SE) モードと Full System (FS) モードの2種類があります．
今回は，FSモードに必要な disk image を，Docker を使って作成する方法を紹介します．
公式ドキュメントで紹介されている方法
gem5 は公式のドキュメントが非常に豊富です．
disk image の作成方法についても，こちら に 3 種類も紹介されています 1．
手法だけ簡単に紹介すると，
- gem5 utils と chroot を使う方法
- QEMU を使用する方法
- Packer を使用する方法 の 3 つです． 3番目は gem5art でもこちらに紹介されているので，馴染みのある方もいらっしゃるかもしれません．
Packer を使えば，イメージサイズや OS などを JSON で宣言した上で packer build config.json するだけで済むので，非常に手軽です．
ただ，この方法には時間がかかります．
Qemu などの仮想マシンを立ち上げて Ubuntu など選択した OS のインストールメディアを起動し，仮想キーボードデバイスを介してインストール時の初期設定を進めていくことになります．
仮想マシンは一般に，システムコールを呼び出して特権モードで CPU を利用すると低速になりがちです．
従って，ディスクアクセスの頻繁なインストール作業は遅いわけです．
筆者の環境では，こちらに紹介されている，post-installation でほとんど何も行わないケースでも 7分30秒 かかりま した．
そこで登場するのが， Docker を使った方法です．
Docker-to-linux を利用する
OS のインストールに時間がかかるのなら，最初から OS がインストールされた環境から始めれば良いのではないか，というのは自然な発想です．
Docker を使うと，そんな環境が簡単に手に入ります．
そんな Docker ですが，そのままではコンテナなので，ブート可能な disk image ではありません．
これを強引にも変換するためのスクリプトを GitHub で見つけたので，こちらで紹介します．
docker-to-linux というものです．
これは，Ubuntu などの コンテナイメージを docker export でダンプし，そこに botloader を書き込む，ということを行っているようです．
使い方
使い方は非常にシンプルです．
Ubuntu のイメージを作りたかったら，make ubuntu とするだけです．
デフォルトで Alpine, Debian, Ubuntu の 3つの Dockerfile が用意されています．
gem5で実行するためのベンチマークなどを入れたかったら，同じようにして Dockerfile を用意して，ベンチマークのビルドやコピーを行え ば可能です．
作成した disk image を QEMU で動作確認するには，qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 8G -drive format=raw,file={{disk-image}} とすれば可能です．
起動したら，ユーザroot，パスワードrootでログインできるはずです．
ハマった点1: NFSのパーミッション設定
自分の laptop では上記の手順で disk image が作成できるのに，研究室のサーバで実行すると，dd: failed to open '/os/ubuntu.img': Permission denied とパーミッションのエラーが発生してしまいました．
原因を探るため，スクリプトに沿って手作業で進めました．
その結果，Docker の bind mounting で $(pwd):/os:rw とした上で rootユーザとして touch /os/foo とすると，permission deniedとなってしまうことが分かりました．
本来，rootユーザはパーミッションに関係なくファイル操作が可能なはずなので，おかしいです．
これについて調べると SELinux が原因なのではないかという投稿をいくつか見かけましたが，今回は該当しません．
Dockerを問題から切り離すため，ホストで以下のように foo というファイルを作成したのち，fooのパーミッションを確認してみました．
% ls -ld .
drwxrwxr-x 7 myuser myuser 277 Apr 21 11:43 .
% chmod 777 . # root 権限で ファイルを作成できるようにする
% sudo touch ./foo
% ls -l ./foo
-rw-r--r-- 1 nobody nogroup 0 Jun 5 21:54 ./foo
% chmod 775 . # カレントディレクトリのパーミッションを元に戻す
その結果，foo が nobody:nogroup権限で作成されていることが判明しました．
つまり，rootユーザがroot:root権限のファイルを作成できていなかったのです．
これはどうやら ，このディレクトリがマウントされていた NFS サーバの設定の影響だったようです．
研究室では，/home が NFS でマウントされていますが，他のユーザが他人のファイルなどを sudo 経由で閲覧などできないようにするために，このような設定を行っている，ということでした．
今まで考えたこともありませんでしたが，言われてみれば妥当だし必要な設定だと納得しました．
今回は，NFS でマウントされていないディレクトリで docker-to-linux を利用することでこの問題を解決しました．
他にも， Dockerfile 内でホストと同じディレクトリを作成して作業すると，解決できるかもしれません．
ハマった点2: イメージサイズ追加
QEMU でテストするために，ビルドに使った package やソースファイルをそのまま残しておいた結果， disk image のサイズがデフォルトの 1 GB では足りなくなってしまいました．
そこで，create_image.sh で disk image の初期化部分を
echo_blue "[Create disk image]"
-dd if=/dev/zero of=/os/${DISTR}.img bs=$(expr 1024 \* 1024 \* 1024) count=1
+dd if=/dev/zero of=/os/${DISTR}.img bs=$(expr 1024 \* 1024 \* 1024) count=2
のように変更しました．
これに合わせ，partition.txt の size も
-linux.img1 : start=2048, size=2095104, type=83, bootable
+linux.img1 : start=2048, size=4190208, type=83, bootable
と 2倍にしてみましたが，上手くいきません．
(ちなみに，このsizeは512 Bの sector が単位であり，size=2095104のときは合計で1023 MBとなります．)
partition.txt を使う sfdiskコマンドのmanページを見ると，sizeが省略された場合は最大限利用するということが分かったので，size=の部分を削除
しみてると，上手くいきました．
つまり，partition.txt を以下に変更すればOKです．
-linux.img1 : start=2048, size=2095104, type=83, bootable
+linux.img1 : start=2048, type=83, bootable
速度比較
docker-to-linux は Packer と比べて，桁違いに高速でした．
| 手法 | 所要時間 | 速度比 |
|---|---|---|
| Packer | 7 min 29.3 s | 1 倍 |
| Docker (ビルドキャッシュなし) | 49.4 s | 9.08 倍 |
| Docker (ビルドキャッシュあり) | 6.6 s | 67.65 倍 |
Dockerのイメージを一から作る場合でも 9倍高速ですが，イメージが完全にキャッシュされているなら，たった 6.6秒 で完了する (67倍も高速)，という結果になりました．
Docker はレイヤーごとにキャッシュしてくれるので，ビルドキャッシュが大部分は存在する，ということがほとんどです．
たった 6.6秒で disk image が作成できれば， disk image 自体の検証やその後のシミュレーションも捗りますね！
まとめ
今回は， Docker を使って gem5 FS モード用の disk image を作成する方法を紹介しました ．
なお，gem5 で ベンチマーク Whisper を動かすための Dockerfile を追加した fork を公開しておりますので，参考になれば幸いです．
Footnotes
-
リンク先1つ目の方法は out-dated とされているので除いています． ↩