深入了解Linux配置/構(gòu)建系統(tǒng)是如何工作的。

自從Linux內(nèi)核代碼遷移到Git之后，Linux內(nèi)核配置/構(gòu)建系統(tǒng)(也稱(chēng)為Kconfig/kBuild)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。然而，作為支持基礎(chǔ)設(shè)施，它很少受到關(guān)注；即使在日常工作中使用它的內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員也從未真正考慮過(guò)它。

為了探索Linux內(nèi)核是如何編譯的，本文將深入研究Kconfig/kBuild內(nèi)部進(jìn)程，解釋.config文件和vmlinux/bzImage文件是如何生成的，并介紹一個(gè)用于依賴性跟蹤的智能技巧。

Kconfig

構(gòu)建內(nèi)核的第一步總是配置。Kconfig幫助使Linux內(nèi)核高度模塊化和可定制。Kconfig為用戶提供了許多配置目標(biāo)：

我認(rèn)為menuconfig是這些目標(biāo)中最受歡迎的。目標(biāo)由不同的主機(jī)程序進(jìn)行處理，這些程序由內(nèi)核提供，并在內(nèi)核構(gòu)建過(guò)程中生成。一些目標(biāo)有一個(gè)GUI(為了用戶的方便)，而大多數(shù)沒(méi)有。與kconfig相關(guān)的工具和源代碼主要位于scripts/kconfig/在內(nèi)核源代碼中。我們可以從scripts/kconfig/makefile，有幾個(gè)主機(jī)程序，包括CONF, mconf，和nconf。除了CONF，它們每個(gè)都負(fù)責(zé)基于GUI的配置目標(biāo)之一，因此，CONF和他們中的大多數(shù)人打交道。

從邏輯上講，Kconfig的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)部分：一個(gè)實(shí)現(xiàn)了新語(yǔ)言要定義配置項(xiàng)(請(qǐng)參閱內(nèi)核源代碼下的Kconfig文件)，而其他配置項(xiàng)則解析Kconfig語(yǔ)言并處理配置操作。

大多數(shù)配置目標(biāo)的內(nèi)部流程大致相同(如下所示)：

注意，所有配置項(xiàng)都有一個(gè)默認(rèn)值。

第一步讀取源根下的Kconfig文件以構(gòu)造初始配置數(shù)據(jù)庫(kù)；然后根據(jù)此優(yōu)先級(jí)讀取現(xiàn)有配置文件來(lái)更新初始數(shù)據(jù)庫(kù)：

• .config
• /lib/Module/$(shell，uname-r)/.config
• /etc/kernel-config
• /boot/config-$(shell，uname-r)
• ARCH_DEFCONFIG
• ARCH/$(ARCH)/Defconfig

如果您正在進(jìn)行基于GUI的配置，則通過(guò)menuconfig或基于命令行的配置oldconfig，數(shù)據(jù)庫(kù)將根據(jù)您的自定義進(jìn)行更新。最后，將配置數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到.config文件中。

但是.config文件不是內(nèi)核構(gòu)建的最終素材；這就是為什么syncconfig目標(biāo)存在。syncconfig以前是一個(gè)名為silentoldconfig，但是它不像舊名字說(shuō)的那樣，所以它被重命名了。此外，由于它是內(nèi)部使用(而不是為用戶)，它被從列表中刪除。

下面是一個(gè)例子syncconfig作用：

syncconfig接受.config作為輸入并輸出許多其他文件，這些文件分為三類(lèi)：

auto.conf & tristate.conf用于生成文件文本處理。例如，您可能在組件的makefile中看到這樣的語(yǔ)句：

obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o


autoconf.h在C語(yǔ)言源文件中使用。

空頭文件include/config/用于在kbuild期間進(jìn)行配置依賴項(xiàng)跟蹤，下面將對(duì)此進(jìn)行解釋。

配置之后，我們將知道哪些文件和代碼段沒(méi)有編譯。

KBuild

組件式建筑，稱(chēng)為遞歸制作，是GNU的一種常見(jiàn)方式。制作，使管理一個(gè)大型項(xiàng)目。KBuild是遞歸make的一個(gè)很好的例子。通過(guò)將源文件劃分為不同的模塊/組件，每個(gè)組件都由自己的Makefile管理。當(dāng)您開(kāi)始構(gòu)建時(shí)，頂級(jí)Makefile按正確的順序調(diào)用每個(gè)組件的makefile，構(gòu)建組件，并將它們收集到最終的執(zhí)行程序中。

KBuild指的是不同類(lèi)型的makefile：

• Makefile位于源根中的頂部makefile。
• .config是內(nèi)核配置文件。
• ARCH/$(ARCH)/Makefile是拱形Makefile，這是對(duì)頂部makefile的補(bǔ)充。
• scripts/Makefile*描述所有kbuild makefile的通用規(guī)則。
• 最后，大約有500個(gè)Kbuildmakefiles.

頂部的makefile包含archmakefile，讀取.config文件，進(jìn)入子目錄，調(diào)用制作，使中定義的例程的幫助下實(shí)現(xiàn)每個(gè)組件的makefile。scripts/Makefile*，構(gòu)建每個(gè)中間對(duì)象，并將所有中間對(duì)象鏈接到vmlinux。核心文件Documentation/kbuild/makefiles.txt描述這些制作文件的所有方面。

例如，讓我們看看在x86-64上如何生成vmlinux：

(插圖是根據(jù)理查德·Y·史蒂文(Richard Y.Steven)的博客。經(jīng)提交人許可后予以更新和使用。

所有.o進(jìn)入vmlinux的文件首先進(jìn)入它們自己的built-in.a，這是通過(guò)變量表示的。KBUILD_VMLINUX_INIT, KBUILD_VMLINUX_Main, KBUILD_VMLINUX_LIBS，然后收集到vmlinux文件中。

看看如何在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)遞歸make，并借助簡(jiǎn)化的Makefile代碼：

# In top Makefile
vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps)
        +$(call if_changed,link-vmlinux)
# Variable assignments
vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN) $(KBUILD_VMLINUX_LIBS)
export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y)
export KBUILD_VMLINUX_MAIN := $(core-y) $(libs-y2) $(drivers-y) $(net-y) $(virt-y)
export KBUILD_VMLINUX_LIBS := $(libs-y1)
export KBUILD_LDS     := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds
init-y     := init/
drivers-y    := drivers/ sound/ firmware/
net-y      := net/
libs-y     := lib/
core-y     := usr/
virt-y     := virt/
# Transform to corresponding built-in.a
init-y     := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(init-y))
core-y     := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(core-y))
drivers-y    := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(drivers-y))
net-y      := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(net-y))
libs-y1     := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2     := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(filter-out %.a, $(libs-y)))
virt-y     := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(virt-y))
# Setup the dependency. vmlinux-deps are all intermediate objects, vmlinux-dirs
# are phony targets, so every time comes to this rule, the recipe of vmlinux-dirs
# will be executed. Refer "4.6 Phony Targets" of `info make`
$(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
# Variable vmlinux-dirs is the directory part of each built-in.a
vmlinux-dirs  := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(init-y) $(init-m) \
           $(core-y) $(core-m) $(drivers-y) $(drivers-m) \
           $(net-y) $(net-m) $(libs-y) $(libs-m) $(virt-y)))
# The entry of recursive make
$(vmlinux-dirs):
        $(Q)$(MAKE) $(build)=$@ need-builtin=1

遞歸的配方擴(kuò)展，例如：

make -f scripts/Makefile.build obj=init need-builtin=1


這意味著make將進(jìn)入scripts/Makefile.build繼續(xù)建造每一個(gè)built-in.a。在.的幫助下scripts/link-vmlinux.sh，vmlinux文件最終位于源根下。

理解vmlinux與bzImage

許多Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員可能不清楚vmlinux和bzImage之間的關(guān)系。例如，以下是它們?cè)趚86-64中的關(guān)系：

源根vmlinux被剝離、壓縮、放入piggy.S，然后將其他對(duì)等對(duì)象鏈接到arch/x86/boot/compressed/vmlinux。同時(shí)，下面生成一個(gè)名為setup.bin的文件arch/x86/boot?？赡苡幸粋€(gè)包含重定位信息的可選的第三個(gè)文件，具體取決于config_x86_RELOCS.

一個(gè)名為build由內(nèi)核提供，將這兩個(gè)(或三個(gè))部分構(gòu)建到最終的bzImage文件中。

依賴跟蹤

KBuild跟蹤三種依賴關(guān)系：

1. 所有的前提文件（*.c和*.h）
2. CONFIG_在所有先決條件文件中使用的選項(xiàng)
3. 用于編譯目標(biāo)的命令行依賴關(guān)系。

第一個(gè)很容易理解，但是第二個(gè)和第三個(gè)呢？?jī)?nèi)核開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常看到這樣的代碼片段：

#ifdef CONFIG_SMP
__boot_cpu_id = cpu;
#endif

什么時(shí)候CONFIG_SMP更改后，這段代碼應(yīng)該重新編譯。編譯源文件的命令行也很重要，因?yàn)椴煌拿钚锌赡軐?dǎo)致不同的對(duì)象文件。

當(dāng).C文件通過(guò)#include指令，您需要編寫(xiě)這樣的規(guī)則：

main.o: defs.h
recipe...

在管理一個(gè)大型項(xiàng)目時(shí)，您需要很多這樣的規(guī)則；所有這些規(guī)則都會(huì)乏味。幸運(yùn)的是，大多數(shù)現(xiàn)代C編譯器可以通過(guò)查看#include源文件中的行。對(duì)于GNU編譯器集合(GCC)，只需添加一個(gè)命令行參數(shù)：-MD depfile

# In scripts/Makefile.lib
c_flags    = -Wp,-MD,$(depfile) $(NOSTDINC_FLAGS) $(LINUXINCLUDE)   \
         -include $(srctree)/include/linux/compiler_types.h    \
         $(__c_flags) $(modkern_cflags)              \
         $(basename_flags) $(modname_flags)

這將生成一個(gè).D文件的內(nèi)容如下：

init_task.o: init/init_task.c include/linux/kconfig.h \
include/generated/autoconf.h include/linux/init_task.h \
include/linux/rcupdate.h include/linux/types.h \
...

然后主機(jī)程序fixdep通過(guò)獲取其他兩個(gè)依賴項(xiàng)來(lái)處理其他兩個(gè)依賴項(xiàng)。depfile命令行作為輸入，然后以makefile語(yǔ)法輸出.cmd文件，它記錄目標(biāo)的命令行和所有先決條件(包括配置)?？雌饋?lái)是這樣的：

# The command line used to compile the target
cmd_init/init_task.o := gcc -Wp,-MD,init/.init_task.o.d -nostdinc ...
...
# The dependency files
deps_init/init_task.o := \
$(wildcard include/config/posix/timers.h) \
$(wildcard include/config/arch/task/struct/on/stack.h) \
$(wildcard include/config/thread/info/in/task.h) \
...
 include/uapi/linux/types.h \
 arch/x86/include/uapi/asm/types.h \
 include/uapi/asm-generic/types.h \
...

在遞歸生成過(guò)程中將包含一個(gè).cmd文件，提供所有依賴項(xiàng)信息，并幫助決定是否重新構(gòu)建目標(biāo)。

這背后的秘密是，F(xiàn)ixdep將解析depfile(.d文件)，然后解析其中的所有依賴文件，搜索所有config_string的文本，將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空頭文件，并將它們添加到目標(biāo)的先決條件中。每次配置更改時(shí)，相應(yīng)的空頭文件也將被更新，因此kbuild可以檢測(cè)到該更改并重新構(gòu)建依賴于它的目標(biāo)。因?yàn)檫€記錄了命令行，所以很容易比較最后的編譯參數(shù)和當(dāng)前的編譯參數(shù)。

展望未來(lái)

Kconfig/kbuild很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有變化，直到新的維護(hù)者山田正一郎(Masahiro Yamada)在2017年初加入，現(xiàn)在KBuild又在積極發(fā)展。如果你很快看到了與本文不同的東西，不要感到驚訝。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接

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