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你知道 Linux 内核是如何构建的吗？

2017-05-02 2913
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简介：

介绍

我不会告诉你怎么在自己的电脑上去构建、安装一个定制化的 Linux 内核，这样的资料太多了，它们会对你有帮助。本文会告诉你当你在内核源码路径里敲下make 时会发生什么。

当我刚刚开始学习内核代码时，Makefile 是我打开的第一个文件，这个文件看起来真令人害怕 :)。那时候这个Makefile 还只包含了1591 行代码，当我开始写本文时，内核已经是4.2.0的第三个候选版本 了。

这个 makefile 是 Linux 内核代码的根 makefile ，内核构建就始于此处。是的，它的内容很多，但是如果你已经读过内核源代码，你就会发现每个包含代码的目录都有一个自己的 makefile。当然了，我们不会去描述每个代码文件是怎么编译链接的，所以我们将只会挑选一些通用的例子来说明问题。而你不会在这里找到构建内核的文档、如何整洁内核代码、tags 的生成和交叉编译 相关的说明，等等。我们将从make 开始，使用标准的内核配置文件，到生成了内核镜像 bzImage 结束。

如果你已经很了解 make 工具那是最好，但是我也会描述本文出现的相关代码。

让我们开始吧！

（题图来自：adafruit.com）

编译内核前的准备

在开始编译前要进行很多准备工作。最主要的就是找到并配置好配置文件，make 命令要使用到的参数都需要从这些配置文件获取。现在就让我们深入内核的根 makefile 吧

内核的根 Makefile 负责构建两个主要的文件：vmlinux （内核镜像可执行文件）和模块文件。内核的Makefile 从定义如下变量开始：


 
 
    

  
  
  1. VERSION = 4
    2. 

  
  
  2. PATCHLEVEL = 2
    3. 

  
  
  3. SUBLEVEL = 0
    4. 

  
  
  4. EXTRAVERSION = -rc3
    5. 

  
  
  5. NAME = Hurr durr I'ma sheep
    6.

这些变量决定了当前内核的版本，并且被使用在很多不同的地方，比如同一个 Makefile 中的 KERNELVERSION：


 
 
    

  
  
  1. KERNELVERSION = $(VERSION)$(if $(PATCHLEVEL),.$(PATCHLEVEL)$(if $(SUBLEVEL),.$(SUBLEVEL)))$(EXTRAVERSION)
    2.

接下来我们会看到很多ifeq 条件判断语句，它们负责检查传递给 make 的参数。内核的 Makefile 提供了一个特殊的编译选项 make help ，这个选项可以生成所有的可用目标和一些能传给 make 的有效的命令行参数。举个例子，make V=1 会在构建过程中输出详细的编译信息，第一个 ifeq 就是检查传递给 make 的V=n 选项。


 
 
    

  
  
  1. ifeq ("$(origin V)", "command line")
    2. 

  
  
  2.   KBUILD_VERBOSE = $(V)
    3. 

  
  
  3. endif
    4. 

  
  
  4. ifndef KBUILD_VERBOSE
    5. 

  
  
  5.   KBUILD_VERBOSE = 0
    6. 

  
  
  6. endif
    7. 

  
  
    8. 

  
  
  8. ifeq ($(KBUILD_VERBOSE),1)
    9. 

  
  
  9.   quiet =
    10. 

  
  
  10.   Q =
    11. 

  
  
  11. else
    12. 

  
  
  12.   quiet=quiet_
    13. 

  
  
  13.   Q = @
    14. 

  
  
  14. endif
    15. 

  
  
    16. 

  
  
  16. export quiet Q KBUILD_VERBOSE
    17.

如果 V=n 这个选项传给了 make ，系统就会给变量 KBUILD_VERBOSE 选项附上 V 的值，否则的话KBUILD_VERBOSE 就会为 0。然后系统会检查 KBUILD_VERBOSE 的值，以此来决定 quiet 和Q 的值。符号 @ 控制命令的输出，如果它被放在一个命令之前，这条命令的输出将会是 CC scripts/mod/empty.o，而不是Compiling .... scripts/mod/empty.o（LCTT 译注：CC 在 makefile 中一般都是编译命令）。在这段最后，系统导出了所有的变量。

下一个 ifeq 语句检查的是传递给 make 的选项 O=/dir，这个选项允许在指定的目录 dir 输出所有的结果文件：


 
 
    

  
  
  1. ifeq ($(KBUILD_SRC),)
    2. 

  
  
    3. 

  
  
  3. ifeq ("$(origin O)", "command line")
    4. 

  
  
  4.   KBUILD_OUTPUT := $(O)
    5. 

  
  
  5. endif
    6. 

  
  
    7. 

  
  
  7. ifneq ($(KBUILD_OUTPUT),)
    8. 

  
  
  8. saved-output := $(KBUILD_OUTPUT)
    9. 

  
  
  9. KBUILD_OUTPUT := $(shell mkdir -p $(KBUILD_OUTPUT) && cd $(KBUILD_OUTPUT) \
    10. 

  
  
  10.                                 && /bin/pwd)
    11. 

  
  
  11. $(if $(KBUILD_OUTPUT),, \
    12. 

  
  
  12.      $(error failed to create output directory "$(saved-output)"))
    13. 

  
  
    14. 

  
  
  14. sub-make: FORCE
    15. 

  
  
  15.     $(Q)$(MAKE) -C $(KBUILD_OUTPUT) KBUILD_SRC=$(CURDIR) \
    16. 

  
  
  16.     -f $(CURDIR)/Makefile $(filter-out _all sub-make,$(MAKECMDGOALS))
    17. 

  
  
    18. 

  
  
  18. skip-makefile := 1
    19. 

  
  
  19. endif # ifneq ($(KBUILD_OUTPUT),)
    20. 

  
  
  20. endif # ifeq ($(KBUILD_SRC),)
    21.

系统会检查变量 KBUILD_SRC，它代表内核代码的顶层目录，如果它是空的（第一次执行 makefile 时总是空的），我们会设置变量 KBUILD_OUTPUT 为传递给选项 O 的值（如果这个选项被传进来了）。下一步会检查变量 KBUILD_OUTPUT ，如果已经设置好，那么接下来会做以下几件事：

  • 将变量 KBUILD_OUTPUT 的值保存到临时变量 saved-output；
  • 尝试创建给定的输出目录；
  • 检查创建的输出目录，如果失败了就打印错误；
  • 如果成功创建了输出目录，那么就在新目录重新执行 make 命令（参见选项-C）。

下一个 ifeq 语句会检查传递给 make 的选项 C 和 M：


 
 
    

  
  
  1. ifeq ("$(origin C)", "command line")
    2. 

  
  
  2.   KBUILD_CHECKSRC = $(C)
    3. 

  
  
  3. endif
    4. 

  
  
  4. ifndef KBUILD_CHECKSRC
    5. 

  
  
  5.   KBUILD_CHECKSRC = 0
    6. 

  
  
  6. endif
    7. 

  
  
    8. 

  
  
  8. ifeq ("$(origin M)", "command line")
    9. 

  
  
  9.   KBUILD_EXTMOD := $(M)
    10. 

  
  
  10. endif
    11.

第一个选项 C 会告诉 makefile 需要使用环境变量 $CHECK 提供的工具来检查全部 c 代码，默认情况下会使用sparse。第二个选项 M 会用来编译外部模块（本文不做讨论）。

系统还会检查变量 KBUILD_SRC，如果 KBUILD_SRC 没有被设置，系统会设置变量 srctree 为.：


 
 
    

  
  
  1. ifeq ($(KBUILD_SRC),)
    2. 

  
  
  2.         srctree := .
    3. 

  
  
  3. endif
    4. 

  
  
    5. 

  
  
  5. objtree := .
    6. 

  
  
  6. src     := $(srctree)
    7. 

  
  
  7. obj     := $(objtree)
    8. 

  
  
    9. 

  
  
  9. export srctree objtree VPATH
    10.

这将会告诉 Makefile 内核的源码树就在执行 make 命令的目录，然后要设置 objtree 和其他变量为这个目录，并且将这些变量导出。接着就是要获取 SUBARCH 的值，这个变量代表了当前的系统架构（LCTT 译注：一般都指CPU 架构）：


 
 
    

  
  
  1. SUBARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/x86/ -e s/x86_64/x86/ \
    2. 

  
  
  2.                   -e s/sun4u/sparc64/ \
    3. 

  
  
  3.                   -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/ \
    4. 

  
  
  4.                   -e s/s390x/s390/ -e s/parisc64/parisc/ \
    5. 

  
  
  5.                   -e s/ppc.*/powerpc/ -e s/mips.*/mips/ \
    6. 

  
  
  6.                   -e s/sh[234].*/sh/ -e s/aarch64.*/arm64/ )
    7.

如你所见，系统执行 uname 得到机器、操作系统和架构的信息。因为我们得到的是 uname 的输出，所以我们需要做一些处理再赋给变量 SUBARCH 。获得 SUBARCH 之后就要设置SRCARCH 和 hfr-arch，SRCARCH 提供了硬件架构相关代码的目录，hfr-arch 提供了相关头文件的目录：


 
 
    

  
  
  1. ifeq ($(ARCH),i386)
    2. 

  
  
  2.         SRCARCH := x86
    3. 

  
  
  3. endif
    4. 

  
  
  4. ifeq ($(ARCH),x86_64)
    5. 

  
  
  5.         SRCARCH := x86
    6. 

  
  
  6. endif
    7. 

  
  
    8. 

  
  
  8. hdr-arch  := $(SRCARCH)
    9.

注意：ARCH 是 SUBARCH 的别名。如果没有设置过代表内核配置文件路径的变量 KCONFIG_CONFIG，下一步系统会设置它，默认情况下就是 .config ：


 
 
    

  
  
  1. KCONFIG_CONFIG  ?= .config
    2. 

  
  
  2. export KCONFIG_CONFIG
    3.

以及编译内核过程中要用到的 shell


 
 
    

  
  
  1. CONFIG_SHELL := $(shell if [ -x "$$BASH" ]; then echo $$BASH; \
    2. 

  
  
  2.       else if [ -x /bin/bash ]; then echo /bin/bash; \
    3. 

  
  
  3.       else echo sh; fi ; fi)
    4.

接下来就要设置一组和编译内核的编译器相关的变量。我们会设置主机的 C 和 C++ 的编译器及相关配置项：


 
 
    

  
  
  1. HOSTCC       = gcc
    2. 

  
  
  2. HOSTCXX      = g++
    3. 

  
  
  3. HOSTCFLAGS   = -Wall -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89
    4. 

  
  
  4. HOSTCXXFLAGS = -O2
    5.

接下来会去适配代表编译器的变量 CC，那为什么还要 HOST* 这些变量呢？这是因为 CC 是编译内核过程中要使用的目标架构的编译器，但是 HOSTCC 是要被用来编译一组 host 程序的（下面我们就会看到）。

然后我们就看到变量 KBUILD_MODULES 和 KBUILD_BUILTIN 的定义，这两个变量决定了我们要编译什么东西（内核、模块或者两者）：


 
 
    

  
  
  1. KBUILD_MODULES :=
    2. 

  
  
  2. KBUILD_BUILTIN := 1
    3. 

  
  
    4. 

  
  
  4. ifeq ($(MAKECMDGOALS),modules)
    5. 

  
  
  5.   KBUILD_BUILTIN := $(if $(CONFIG_MODVERSIONS),1)
    6. 

  
  
  6. endif
    7.

在这我们可以看到这些变量的定义，并且，如果们仅仅传递了 modules 给 make，变量 KBUILD_BUILTIN 会依赖于内核配置选项 CONFIG_MODVERSIONS。

下一步操作是引入下面的文件：


 
 
    

  
  
  1. include scripts/Kbuild.include
    2.

文件 Kbuild 或者又叫做 Kernel Build System 是一个用来管理构建内核及其模块的特殊框架。kbuild 文件的语法与 makefile 一样。文件scripts/Kbuild.include 为 kbuild 系统提供了一些常规的定义。因为我们包含了这个 kbuild 文件，我们可以看到和不同工具关联的这些变量的定义，这些工具会在内核和模块编译过程中被使用（比如链接器、编译器、来自 binutils 的二进制工具包 ，等等）：


 
 
    

  
  
  1. AS      = $(CROSS_COMPILE)as
    2. 

  
  
  2. LD      = $(CROSS_COMPILE)ld
    3. 

  
  
  3. CC      = $(CROSS_COMPILE)gcc
    4. 

  
  
  4. CPP     = $(CC) -E
    5. 

  
  
  5. AR      = $(CROSS_COMPILE)ar
    6. 

  
  
  6. NM      = $(CROSS_COMPILE)nm
    7. 

  
  
  7. STRIP       = $(CROSS_COMPILE)strip
    8. 

  
  
  8. OBJCOPY     = $(CROSS_COMPILE)objcopy
    9. 

  
  
  9. OBJDUMP     = $(CROSS_COMPILE)objdump
    10. 

  
  
  10. AWK     = awk
    11. 

  
  
  11. ...
    12. 

  
  
  12. ...
    13. 

  
  
  13. ...
    14.

在这些定义好的变量后面，我们又定义了两个变量：USERINCLUDE 和 LINUXINCLUDE。他们包含了头文件的路径（第一个是给用户用的，第二个是给内核用的）：


 
 
    

  
  
  1. USERINCLUDE    := \
    2. 

  
  
  2.         -I$(srctree)/arch/$(hdr-arch)/include/uapi \
    3. 

  
  
  3.         -Iarch/$(hdr-arch)/include/generated/uapi \
    4. 

  
  
  4.         -I$(srctree)/include/uapi \
    5. 

  
  
  5.         -Iinclude/generated/uapi \
    6. 

  
  
  6.         -include $(srctree)/include/linux/kconfig.h
    7. 

  
  
    8. 

  
  
  8. LINUXINCLUDE    := \
    9. 

  
  
  9.         -I$(srctree)/arch/$(hdr-arch)/include \
    10. 

  
  
  10.         ...
    11.

以及给 C 编译器的标准标志：


 
 
    

  
  
  1. KBUILD_CFLAGS   := -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs \
    2. 

  
  
  2.            -fno-strict-aliasing -fno-common \
    3. 

  
  
  3.            -Werror-implicit-function-declaration \
    4. 

  
  
  4.            -Wno-format-security \
    5. 

  
  
  5.            -std=gnu89
    6.

这并不是最终确定的编译器标志，它们还可以在其他 makefile 里面更新（比如 arch/ 里面的 kbuild）。变量定义完之后，全部会被导出供其他 makefile 使用。

下面的两个变量 RCS_FIND_IGNORE 和 RCS_TAR_IGNORE 包含了被版本控制系统忽略的文件：


 
 
    

  
  
  1. export RCS_FIND_IGNORE := \( -name SCCS -o -name BitKeeper -o -name .svn -o    \
    2. 

  
  
  2.               -name CVS -o -name .pc -o -name .hg -o -name .git \) \
    3. 

  
  
  3.               -prune -o
    4. 

  
  
  4. export RCS_TAR_IGNORE := --exclude SCCS --exclude BitKeeper --exclude .svn \
    5. 

  
  
  5.              --exclude CVS --exclude .pc --exclude .hg --exclude .git
    6.

这就是全部了，我们已经完成了所有的准备工作，下一个点就是如果构建vmlinux。

直面内核构建

现在我们已经完成了所有的准备工作，根 makefile（注：内核根目录下的 makefile）的下一步工作就是和编译内核相关的了。在这之前，我们不会在终端看到 make 命令输出的任何东西。但是现在编译的第一步开始了，这里我们需要从内核根 makefile 的 598 行开始，这里可以看到目标vmlinux：


 
 
    

  
  
  1. all: vmlinux
    2. 

  
  
  2.     include arch/$(SRCARCH)/Makefile
    3.

不要操心我们略过的从 export RCS_FIND_IGNORE..... 到 all: vmlinux..... 这一部分 makefile 代码，他们只是负责根据各种配置文件（make *.config）生成不同目标内核的，因为之前我就说了这一部分我们只讨论构建内核的通用途径。

目标 all: 是在命令行如果不指定具体目标时默认使用的目标。你可以看到这里包含了架构相关的 makefile（在这里就指的是 arch/x86/Makefile）。从这一时刻起，我们会从这个 makefile 继续进行下去。如我们所见，目标 all 依赖于根 makefile 后面声明的 vmlinux：


 
 
    

  
  
  1. vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) FORCE
    2.

vmlinux 是 linux 内核的静态链接可执行文件格式。脚本 scripts/link-vmlinux.sh 把不同的编译好的子模块链接到一起形成了 vmlinux。

第二个目标是 vmlinux-deps，它的定义如下：


 
 
    

  
  
  1. vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
    2.

它是由内核代码下的每个顶级目录的 built-in.o 组成的。之后我们还会检查内核所有的目录，kbuild 会编译各个目录下所有的对应 $(obj-y) 的源文件。接着调用 $(LD) -r 把这些文件合并到一个 build-in.o 文件里。此时我们还没有vmlinux-deps，所以目标 vmlinux 现在还不会被构建。对我而言 vmlinux-deps 包含下面的文件：


 
 
    

  
  
  1. arch/x86/kernel/vmlinux.lds arch/x86/kernel/head_64.o
    2. 

  
  
  2. arch/x86/kernel/head64.o    arch/x86/kernel/head.o
    3. 

  
  
  3. init/built-in.o             usr/built-in.o
    4. 

  
  
  4. arch/x86/built-in.o         kernel/built-in.o
    5. 

  
  
  5. mm/built-in.o               fs/built-in.o
    6. 

  
  
  6. ipc/built-in.o              security/built-in.o
    7. 

  
  
  7. crypto/built-in.o           block/built-in.o
    8. 

  
  
  8. lib/lib.a                   arch/x86/lib/lib.a
    9. 

  
  
  9. lib/built-in.o              arch/x86/lib/built-in.o
    10. 

  
  
  10. drivers/built-in.o          sound/built-in.o
    11. 

  
  
  11. firmware/built-in.o         arch/x86/pci/built-in.o
    12. 

  
  
  12. arch/x86/power/built-in.o   arch/x86/video/built-in.o
    13. 

  
  
  13. net/built-in.o
    14.

下一个可以被执行的目标如下：


 
 
    

  
  
  1. $(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
    2. 

  
  
  2. $(vmlinux-dirs): prepare scripts
    3. 

  
  
  3.     $(Q)$(MAKE) $(build)=$@
    4.

就像我们看到的，vmlinux-dir 依赖于两部分：prepare 和 scripts。第一个 prepare 定义在内核的根makefile 中，准备工作分成三个阶段：


 
 
    

  
  
  1. prepare: prepare0
    2. 

  
  
  2. prepare0: archprepare FORCE
    3. 

  
  
  3.     $(Q)$(MAKE) $(build)=.
    4. 

  
  
  4. archprepare: archheaders archscripts prepare1 scripts_basic
    5. 

  
  
    6. 

  
  
  6. prepare1: prepare2 $(version_h) include/generated/utsrelease.h \
    7. 

  
  
  7.                    include/config/auto.conf
    8. 

  
  
  8.     $(cmd_crmodverdir)
    9. 

  
  
  9. prepare2: prepare3 outputmakefile asm-generic
    10.

第一个 prepare0 展开到 archprepare ，后者又展开到 archheader 和 archscripts，这两个变量定义在x86_64 相关的 Makefile。让我们看看这个文件。x86_64 特定的 makefile 从变量定义开始，这些变量都是和特定架构的配置文件 (defconfig，等等)有关联。在定义了编译 16-bit 代码的编译选项之后，根据变量BITS 的值，如果是 32， 汇编代码、链接器、以及其它很多东西（全部的定义都可以在arch/x86/Makefile找到）对应的参数就是 i386，而 64 就对应的是 x86_84。

第一个目标是 makefile 生成的系统调用列表（syscall table）中的 archheaders ：


 
 
    

  
  
  1. archheaders:
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/entry/syscalls all
    3.

第二个目标是 makefile 里的 archscripts：


 
 
    

  
  
  1. archscripts: scripts_basic
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools relocs
    3.

我们可以看到 archscripts 是依赖于根 Makefile里的scripts_basic 。首先我们可以看出scripts_basic 是按照 scripts/basic 的 makefile 执行 make 的：


 
 
    

  
  
  1. scripts_basic:
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic
    3.

scripts/basic/Makefile 包含了编译两个主机程序 fixdep 和 bin2 的目标：


 
 
    

  
  
  1. hostprogs-y := fixdep
    2. 

  
  
  2. hostprogs-$(CONFIG_BUILD_BIN2C)     += bin2c
    3. 

  
  
  3. always      := $(hostprogs-y)
    4. 

  
  
    5. 

  
  
  5. $(addprefix $(obj)/,$(filter-out fixdep,$(always))): $(obj)/fixdep
    6.

第一个工具是 fixdep：用来优化 gcc 生成的依赖列表，然后在重新编译源文件的时候告诉make。第二个工具是 bin2c，它依赖于内核配置选项 CONFIG_BUILD_BIN2C，并且它是一个用来将标准输入接口（LCTT 译注：即 stdin）收到的二进制流通过标准输出接口（即：stdout）转换成 C 头文件的非常小的 C 程序。你可能注意到这里有些奇怪的标志，如 hostprogs-y 等。这个标志用于所有的 kbuild 文件，更多的信息你可以从documentation 获得。在我们这里， hostprogs-y 告诉 kbuild 这里有个名为 fixed 的程序，这个程序会通过和 Makefile 相同目录的 fixdep.c 编译而来。

执行 make 之后，终端的第一个输出就是 kbuild 的结果：


 
 
    

  
  
  1. $ make
    2. 

  
  
  2.   HOSTCC  scripts/basic/fixdep
    3.

当目标 script_basic 被执行，目标 archscripts 就会 make arch/x86/tools 下的 makefile 和目标relocs:


 
 
    

  
  
  1. $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools relocs
    2.

包含了重定位 的信息的代码 relocs_32.c 和 relocs_64.c 将会被编译，这可以在make 的输出中看到：


 
 
    

  
  
  1.   HOSTCC  arch/x86/tools/relocs_32.o
    2. 

  
  
  2.   HOSTCC  arch/x86/tools/relocs_64.o
    3. 

  
  
  3.   HOSTCC  arch/x86/tools/relocs_common.o
    4. 

  
  
  4.   HOSTLD  arch/x86/tools/relocs
    5.

在编译完 relocs.c 之后会检查 version.h:


 
 
    

  
  
  1. $(version_h): $(srctree)/Makefile FORCE
    2. 

  
  
  2.     $(call filechk,version.h)
    3. 

  
  
  3.     $(Q)rm -f $(old_version_h)
    4.

我们可以在输出看到它：


 
 
    

  
  
  1. CHK     include/config/kernel.release
    2.

以及在内核的根 Makefiel 使用 arch/x86/include/generated/asm 的目标 asm-generic 来构建 generic汇编头文件。在目标 asm-generic 之后，archprepare 就完成了，所以目标 prepare0 会接着被执行，如我上面所写：


 
 
    

  
  
  1. prepare0: archprepare FORCE
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=.
    3.

注意 build，它是定义在文件 scripts/Kbuild.include，内容是这样的：


 
 
    

  
  
  1. build := -f $(srctree)/scripts/Makefile.build obj
    2.

或者在我们的例子中，它就是当前源码目录路径：.：


 
 
    

  
  
  1. $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/scripts/Makefile.build obj=.
    2.

脚本 scripts/Makefile.build 通过参数 obj 给定的目录找到 Kbuild 文件，然后引入 kbuild 文件：


 
 
    

  
  
  1. include $(kbuild-file)
    2.

并根据这个构建目标。我们这里 . 包含了生成 kernel/bounds.s 和 arch/x86/kernel/asm-offsets.s 的Kbuild 文件。在此之后，目标 prepare 就完成了它的工作。 vmlinux-dirs 也依赖于第二个目标 scripts，它会编译接下来的几个程序：filealias，mk_elfconfig，modpost 等等。之后，scripts/host-programs 就可以开始编译我们的目标 vmlinux-dirs 了。

首先，我们先来理解一下 vmlinux-dirs 都包含了那些东西。在我们的例子中它包含了下列内核目录的路径：


 
 
    

  
  
  1. init usr arch/x86 kernel mm fs ipc security crypto block
    2. 

  
  
  2. drivers sound firmware arch/x86/pci arch/x86/power
    3. 

  
  
  3. arch/x86/video net lib arch/x86/lib
    4.

我们可以在内核的根 Makefile 里找到 vmlinux-dirs 的定义：


 
 
    

  
  
  1. vmlinux-dirs    := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(init-y) $(init-m) \
    2. 

  
  
  2.              $(core-y) $(core-m) $(drivers-y) $(drivers-m) \
    3. 

  
  
  3.              $(net-y) $(net-m) $(libs-y) $(libs-m)))
    4. 

  
  
    5. 

  
  
  5. init-y      := init/
    6. 

  
  
  6. drivers-y   := drivers/ sound/ firmware/
    7. 

  
  
  7. net-y       := net/
    8. 

  
  
  8. libs-y      := lib/
    9. 

  
  
  9. ...
    10. 

  
  
  10. ...
    11. 

  
  
  11. ...
    12.

这里我们借助函数 patsubst 和 filter去掉了每个目录路径里的符号 /，并且把结果放到 vmlinux-dirs里。所以我们就有了 vmlinux-dirs 里的目录列表，以及下面的代码：


 
 
    

  
  
  1. $(vmlinux-dirs): prepare scripts
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=$@
    3.

符号 $@ 在这里代表了 vmlinux-dirs，这就表明程序会递归遍历从 vmlinux-dirs 以及它内部的全部目录（依赖于配置），并且在对应的目录下执行 make 命令。我们可以在输出看到结果：


 
 
    

  
  
  1.   CC      init/main.o
    2. 

  
  
  2.   CHK     include/generated/compile.h
    3. 

  
  
  3.   CC      init/version.o
    4. 

  
  
  4.   CC      init/do_mounts.o
    5. 

  
  
  5.   ...
    6. 

  
  
  6.   CC      arch/x86/crypto/glue_helper.o
    7. 

  
  
  7.   AS      arch/x86/crypto/aes-x86_64-asm_64.o
    8. 

  
  
  8.   CC      arch/x86/crypto/aes_glue.o
    9. 

  
  
  9.   ...
    10. 

  
  
  10.   AS      arch/x86/entry/entry_64.o
    11. 

  
  
  11.   AS      arch/x86/entry/thunk_64.o
    12. 

  
  
  12.   CC      arch/x86/entry/syscall_64.o
    13.

每个目录下的源代码将会被编译并且链接到 built-io.o 里：


 
 
    

  
  
  1. $ find . -name built-in.o
    2. 

  
  
  2. ./arch/x86/crypto/built-in.o
    3. 

  
  
  3. ./arch/x86/crypto/sha-mb/built-in.o
    4. 

  
  
  4. ./arch/x86/net/built-in.o
    5. 

  
  
  5. ./init/built-in.o
    6. 

  
  
  6. ./usr/built-in.o
    7. 

  
  
  7. ...
    8. 

  
  
  8. ...
    9.

好了，所有的 built-in.o 都构建完了，现在我们回到目标 vmlinux 上。你应该还记得，目标 vmlinux 是在内核的根makefile 里。在链接 vmlinux 之前，系统会构建 samples, Documentation 等等，但是如上文所述，我不会在本文描述这些。


 
 
    

  
  
  1. vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) FORCE
    2. 

  
  
  2.     ...
    3. 

  
  
  3.     ...
    4. 

  
  
  4.     +$(call if_changed,link-vmlinux)
    5.

你可以看到，调用脚本 scripts/link-vmlinux.sh 的主要目的是把所有的 built-in.o 链接成一个静态可执行文件，和生成 System.map。 最后我们来看看下面的输出：


 
 
    

  
  
  1.   LINK    vmlinux
    2. 

  
  
  2.   LD      vmlinux.o
    3. 

  
  
  3.   MODPOST vmlinux.o
    4. 

  
  
  4.   GEN     .version
    5. 

  
  
  5.   CHK     include/generated/compile.h
    6. 

  
  
  6.   UPD     include/generated/compile.h
    7. 

  
  
  7.   CC      init/version.o
    8. 

  
  
  8.   LD      init/built-in.o
    9. 

  
  
  9.   KSYM    .tmp_kallsyms1.o
    10. 

  
  
  10.   KSYM    .tmp_kallsyms2.o
    11. 

  
  
  11.   LD      vmlinux
    12. 

  
  
  12.   SORTEX  vmlinux
    13. 

  
  
  13.   SYSMAP  System.map
    14.

vmlinux 和System.map 生成在内核源码树根目录下。


 
 
    

  
  
  1. $ ls vmlinux System.map 
    2. 

  
  
  2. System.map  vmlinux
    3.

这就是全部了，vmlinux 构建好了，下一步就是创建 bzImage.

制作bzImage

bzImage 就是压缩了的 linux 内核镜像。我们可以在构建了 vmlinux 之后通过执行 make bzImage 获得bzImage。同时我们可以仅仅执行 make 而不带任何参数也可以生成 bzImage ，因为它是在arch/x86/kernel/Makefile 里预定义的、默认生成的镜像：


 
 
    

  
  
  1. all: bzImage
    2.

让我们看看这个目标，它能帮助我们理解这个镜像是怎么构建的。我已经说过了 bzImage 是被定义在arch/x86/kernel/Makefile，定义如下：


 
 
    

  
  
  1. bzImage: vmlinux
    2. 

  
  
  2.     $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE)
    3. 

  
  
  3.     $(Q)mkdir -p $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot
    4. 

  
  
  4.     $(Q)ln -fsn ../../x86/boot/bzImage $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot/$@
    5.

在这里我们可以看到第一次为 boot 目录执行 make，在我们的例子里是这样的：


 
 
    

  
  
  1. boot := arch/x86/boot
    2.

现在的主要目标是编译目录 arch/x86/boot 和 arch/x86/boot/compressed 的代码，构建 setup.bin 和vmlinux.bin，最后用这两个文件生成 bzImage。第一个目标是定义在 arch/x86/boot/Makefile 的$(obj)/setup.elf:


 
 
    

  
  
  1. $(obj)/setup.elf: $(src)/setup.ld $(SETUP_OBJS) FORCE
    2. 

  
  
  2.     $(call if_changed,ld)
    3.

我们已经在目录 arch/x86/boot 有了链接脚本 setup.ld，和扩展到 boot 目录下全部源代码的变量SETUP_OBJS 。我们可以看看第一个输出：


 
 
    

  
  
  1.   AS      arch/x86/boot/bioscall.o
    2. 

  
  
  2.   CC      arch/x86/boot/cmdline.o
    3. 

  
  
  3.   AS      arch/x86/boot/copy.o
    4. 

  
  
  4.   HOSTCC  arch/x86/boot/mkcpustr
    5. 

  
  
  5.   CPUSTR  arch/x86/boot/cpustr.h
    6. 

  
  
  6.   CC      arch/x86/boot/cpu.o
    7. 

  
  
  7.   CC      arch/x86/boot/cpuflags.o
    8. 

  
  
  8.   CC      arch/x86/boot/cpucheck.o
    9. 

  
  
  9.   CC      arch/x86/boot/early_serial_console.o
    10. 

  
  
  10.   CC      arch/x86/boot/edd.o
    11.

下一个源码文件是 arch/x86/boot/header.S，但是我们不能现在就编译它，因为这个目标依赖于下面两个头文件：


 
 
    

  
  
  1. $(obj)/header.o: $(obj)/voffset.h $(obj)/zoffset.h
    2.

第一个头文件 voffset.h 是使用 sed 脚本生成的，包含用 nm 工具从 vmlinux 获取的两个地址：


 
 
    

  
  
  1. #define VO__end 0xffffffff82ab0000
    2. 

  
  
  2. #define VO__text 0xffffffff81000000
    3.

这两个地址是内核的起始和结束地址。第二个头文件 zoffset.h 在 arch/x86/boot/compressed/Makefile可以看出是依赖于目标 vmlinux的：


 
 
    

  
  
  1. $(obj)/zoffset.h: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
    2. 

  
  
  2.     $(call if_changed,zoffset)
    3.

目标 $(obj)/compressed/vmlinux 依赖于 vmlinux-objs-y —— 说明需要编译目录arch/x86/boot/compressed 下的源代码，然后生成 vmlinux.bin、vmlinux.bin.bz2，和编译工具mkpiggy。我们可以在下面的输出看出来：


 
 
    

  
  
  1.   LDS     arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds
    2. 

  
  
  2.   AS      arch/x86/boot/compressed/head_64.o
    3. 

  
  
  3.   CC      arch/x86/boot/compressed/misc.o
    4. 

  
  
  4.   CC      arch/x86/boot/compressed/string.o
    5. 

  
  
  5.   CC      arch/x86/boot/compressed/cmdline.o
    6. 

  
  
  6.   OBJCOPY arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin
    7. 

  
  
  7.   BZIP2   arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin.bz2
    8. 

  
  
  8.   HOSTCC  arch/x86/boot/compressed/mkpiggy
    9.

vmlinux.bin 是去掉了调试信息和注释的 vmlinux 二进制文件，加上了占用了 u32 （LCTT 译注：即4-Byte）的长度信息的 vmlinux.bin.all 压缩后就是 vmlinux.bin.bz2。其中 vmlinux.bin.all 包含了vmlinux.bin 和vmlinux.relocs（LCTT 译注：vmlinux 的重定位信息），其中 vmlinux.relocs 是vmlinux 经过程序 relocs 处理之后的 vmlinux 镜像（见上文所述）。我们现在已经获取到了这些文件，汇编文件 piggy.S 将会被 mkpiggy 生成、然后编译：


 
 
    

  
  
  1.   MKPIGGY arch/x86/boot/compressed/piggy.S
    2. 

  
  
  2.   AS      arch/x86/boot/compressed/piggy.o
    3.

这个汇编文件会包含经过计算得来的、压缩内核的偏移信息。处理完这个汇编文件，我们就可以看到 zoffset生成了：


 
 
    

  
  
  1.   ZOFFSET arch/x86/boot/zoffset.h
    2.

现在 zoffset.h 和 voffset.h 已经生成了，arch/x86/boot 里的源文件可以继续编译：


 
 
    

  
  
  1.   AS      arch/x86/boot/header.o
    2. 

  
  
  2.   CC      arch/x86/boot/main.o
    3. 

  
  
  3.   CC      arch/x86/boot/mca.o
    4. 

  
  
  4.   CC      arch/x86/boot/memory.o
    5. 

  
  
  5.   CC      arch/x86/boot/pm.o
    6. 

  
  
  6.   AS      arch/x86/boot/pmjump.o
    7. 

  
  
  7.   CC      arch/x86/boot/printf.o
    8. 

  
  
  8.   CC      arch/x86/boot/regs.o
    9. 

  
  
  9.   CC      arch/x86/boot/string.o
    10. 

  
  
  10.   CC      arch/x86/boot/tty.o
    11. 

  
  
  11.   CC      arch/x86/boot/video.o
    12. 

  
  
  12.   CC      arch/x86/boot/video-mode.o
    13. 

  
  
  13.   CC      arch/x86/boot/video-vga.o
    14. 

  
  
  14.   CC      arch/x86/boot/video-vesa.o
    15. 

  
  
  15.   CC      arch/x86/boot/video-bios.o
    16.

所有的源代码会被编译，他们最终会被链接到 setup.elf ：


 
 
    

  
  
  1.   LD      arch/x86/boot/setup.elf
    2.

或者：


 
 
    

  
  
  1. ld -m elf_x86_64   -T arch/x86/boot/setup.ld arch/x86/boot/a20.o arch/x86/boot/bioscall.o arch/x86/boot/cmdline.o arch/x86/boot/copy.o arch/x86/boot/cpu.o arch/x86/boot/cpuflags.o arch/x86/boot/cpucheck.o arch/x86/boot/early_serial_console.o arch/x86/boot/edd.o arch/x86/boot/header.o arch/x86/boot/main.o arch/x86/boot/mca.o arch/x86/boot/memory.o arch/x86/boot/pm.o arch/x86/boot/pmjump.o arch/x86/boot/printf.o arch/x86/boot/regs.o arch/x86/boot/string.o arch/x86/boot/tty.o arch/x86/boot/video.o arch/x86/boot/video-mode.o arch/x86/boot/version.o arch/x86/boot/video-vga.o arch/x86/boot/video-vesa.o arch/x86/boot/video-bios.o -o arch/x86/boot/setup.elf
    2.

最后的两件事是创建包含目录 arch/x86/boot/* 下的编译过的代码的 setup.bin：


 
 
    

  
  
  1. objcopy  -O binary arch/x86/boot/setup.elf arch/x86/boot/setup.bin
    2.

以及从 vmlinux 生成 vmlinux.bin :


 
 
    

  
  
  1. objcopy  -O binary -R .note -R .comment -S arch/x86/boot/compressed/vmlinux arch/x86/boot/vmlinux.bin
    2.

最最后，我们编译主机程序 arch/x86/boot/tools/build.c，它将会用来把 setup.bin 和 vmlinux.bin 打包成 bzImage:


 
 
    

  
  
  1. arch/x86/boot/tools/build arch/x86/boot/setup.bin arch/x86/boot/vmlinux.bin arch/x86/boot/zoffset.h arch/x86/boot/bzImage
    2.

实际上 bzImage 就是把 setup.bin 和 vmlinux.bin 连接到一起。最终我们会看到输出结果，就和那些用源码编译过内核的同行的结果一样：


 
 
    

  
  
  1. Setup is 16268 bytes (padded to 16384 bytes).
    2. 

  
  
  2. System is 4704 kB
    3. 

  
  
  3. CRC 94a88f9a
    4. 

  
  
  4. Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready  (#5)
    5.

全部结束。

结论

这就是本文的结尾部分。本文我们了解了编译内核的全部步骤：从执行 make 命令开始，到最后生成bzImage。我知道，linux 内核的 makefile 和构建 linux 的过程第一眼看起来可能比较迷惑，但是这并不是很难。希望本文可以帮助你理解构建 linux 内核的整个流程


本文来自云栖社区合作伙伴“Linux中国”，原文发布日期：2015-09-11

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本文旨在对Linux操作系统的内存管理机制进行深入分析，探讨其如何通过高效的内存分配和回收策略来优化系统性能。文章将详细介绍Linux内核中内存管理的关键技术点，包括物理内存与虚拟内存的映射、页面置换算法、以及内存碎片的处理方法等。通过对这些技术点的解析，本文旨在为读者提供一个清晰的Linux内存管理框架，帮助理解其在现代计算环境中的重要性和应用。
叫个什么名字
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Skyund
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2天前
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缓存 网络协议 Linux
Linux操作系统内核
Linux操作系统内核 1、进程管理： 进程调度 进程创建与销毁 进程间通信 2、内存管理： 内存分配与回收 虚拟内存管理 缓存管理 3、驱动管理： 设备驱动程序接口 硬件抽象层 中断处理 4、文件和网络管理： 文件系统管理 网络协议栈 网络安全及防火墙管理
Skyund
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游客sjjs6jgz4gp7m1
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3天前
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人工智能 算法 大数据
Linux内核中的调度算法演变：从O(1)到CFS的优化之旅###
本文深入探讨了Linux操作系统内核中进程调度算法的发展历程，聚焦于O(1)调度器向完全公平调度器（CFS）的转变。不同于传统摘要对研究背景、方法、结果和结论的概述，本文创新性地采用“技术演进时间线”的形式，简明扼要地勾勒出这一转变背后的关键技术里程碑，旨在为读者提供一个清晰的历史脉络，引领其深入了解Linux调度机制的革新之路。 ###
游客sjjs6jgz4gp7m1
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萝卜带泥
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5天前
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算法 Linux 定位技术
Linux内核中的进程调度算法解析####
【10月更文挑战第29天】 本文深入剖析了Linux操作系统的心脏——内核中至关重要的组成部分之一，即进程调度机制。不同于传统的摘要概述，我们将通过一段引人入胜的故事线来揭开进程调度算法的神秘面纱，展现其背后的精妙设计与复杂逻辑，让读者仿佛跟随一位虚拟的“进程侦探”，一步步探索Linux如何高效、公平地管理众多进程，确保系统资源的最优分配与利用。 ####
萝卜带泥
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叫个什么名字
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6天前
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缓存 负载均衡 算法
Linux内核中的进程调度算法解析####
本文深入探讨了Linux操作系统核心组件之一——进程调度器，着重分析了其采用的CFS（完全公平调度器）算法。不同于传统摘要对研究背景、方法、结果和结论的概述，本文摘要将直接揭示CFS算法的核心优势及其在现代多核处理器环境下如何实现高效、公平的资源分配，同时简要提及该算法如何优化系统响应时间和吞吐量，为读者快速构建对Linux进程调度机制的认知框架。 ####
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最好zzz
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9天前
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缓存 Linux
揭秘Linux内核：探索CPU拓扑结构
【10月更文挑战第26天】
最好zzz
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潇洒洒
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9天前
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缓存 运维 Linux
深入探索Linux内核：CPU拓扑结构探测
【10月更文挑战第18天】在现代计算机系统中，CPU的拓扑结构对性能优化和资源管理至关重要。了解CPU的核心、线程、NUMA节点等信息，可以帮助开发者和系统管理员更好地调优应用程序和系统配置。本文将深入探讨如何在Linux内核中探测CPU拓扑结构，介绍相关工具和方法。
潇洒洒
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