linux內核源碼編譯過程分析之Kconfig，Makefile

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在之前的課程裡，當我們在編譯linux內核源碼的時候，不知道大家會不會有一些疑問：

1.linux內核源碼那麼多（大概800M），編譯的時候它（編譯系統）怎麼知道應該要編譯哪些文件呢？

2.怎樣保證源碼的編譯順序？比如，先編譯A模塊，再編譯B模塊？

3.怎麼樣把這些編譯出來的一個一個的目標文件，最終形成一個內核鏡像文件？

所有這些，都是通過Makefile來完成的。

本文所用內核源碼為 linux-4.9.229，ARCH=x86

linux內核源碼裡的Makefile分為三層：

• 頂層Makefile（源碼根目錄下）
• 體系相關的Makefile(arch/$(ARCH)/Makefile)
• 各級子目錄下面的Makefile。

那我們就先來看頂層Makefile，先摘幾段關鍵代碼：

<code> 262 SRCARCH     := 
$(ARCH)
 ...
 546 
include
 arch/
$(SRCARCH)
/Makefile/<code>

這樣體系相關的Makefile就被include進來了。

而下面的代碼則間接的把各級子目錄下面的Makefile包含進來了。

<code> 
570
 init-y      := init/
 
571
 drivers-y   := drivers/ sound/ firmware/
 
572
 net-y       := net/
 
573
 libs-y      := lib/
 
574
 core-y      := usr/
 
575
 virt-y      := virt//<code>

這樣頂層的Makefile就把體系相關的Makefile和各個子目錄的Makefile都包含進來了。

那接下來我們深入到某個具體的子目錄的Makefile，看它又是如何編譯這個子目錄下面的源代碼的呢？

具體到某個源碼目錄中，編譯系統是通過obj-y, obj-m，obj-n和lib-m來組織的。

• obj-y用來定義哪些源文件被編進內核。在當前目錄，這些被編譯到內核裡的.o文件，會被鏈接成一個built.o文件。大家可以看看，等內核編譯完成後，是不是每個子目錄下，都有一個built-in.o文件呢？
• obj-m用來定義哪些文件被編譯成可加載模塊，也就是驅動文件。
• obj-n表示當前源文件既不被編譯到內核，也不會編譯成驅動，也就是不做處理。
• lib-y用來定義哪些文件被編譯成庫文件。
• obj-y, obj-m，lib-y，lib-m還可以指定要包含的下一級目錄。這樣層層包含，保證能夠編譯到所有的內核源代碼。

我以drivers/tty子目錄為例，其Makefile的摘要如下：

<code>obj-$(CONFIG_TTY)       += tty_io.o n_tty.o tty_ioctl.o tty_ldisc.o \
                   tty_buffer.o tty_port.o tty_mutex.o tty_ldsem.o
obj-$(CONFIG_HVC_DRIVER)    += hvc//<code>

以上表示：

如果通過make menuconfig配置了CONFIG_TTY為y，那麼 tty_io.c n_tty.c tty_ioctl.c tty_ldisc.c

tty_buffer.c tty_port.c tty_mutex.c tty_ldsem.c 這些c文件就會被編譯到內核鏡像裡；

如果通過make menuconfig配置了CONFIG_HVC_DRIVER，那麼還會進入到hvc子目錄進一步執行它的Makefile。

所以，當某個子目錄下的makefile執行一遍以後，所有的需要編譯到內核裡的.o文件就都羅列在obj-y這個變量裡了，而所有需要編譯成驅動的.o文件就都羅列在obj-m裡了。

另外，某個子目錄下obj-y變量裡的所有 .o文件會被鏈接成built-in.o文件，並最終被鏈接到內核鏡像文件。

下面代碼是drivers/tty/built-in.o 生成的過程。

<code>ld -m elf_x86_64  -z 
max
-page-size=
0x200000
   -r -o drivers/tty/built-
in
.o 
drivers/tty/tty_io.o drivers/tty/n_tty.o drivers/tty/tty_ioctl.o drivers/tty/tty_ldisc.o 
drivers/tty/tty_buffer.o drivers/tty/tty_port.o 
drivers/tty/tty_mutex.o drivers/tty/tty_ldsem.o drivers/tty/pty.o drivers/tty/tty_audit.o 
drivers/tty/sysrq.o drivers/tty/vt/built-
in
.o drivers/tty/serial/built-
in
.o 
drivers/tty/ipwireless/built-
in
.o
/<code>

我們來看看內核鏡像是如何生成的。

還是看頂層的Makefile：

<code>core-y      += kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

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)))

vmlinux-alldirs 
:
= $(sort $(vmlinux-dirs) $(patsubst 
%/,%,$(filter %/
, \
             $(init-) $(core-) $(drivers-) $(net-) $(libs-) $(virt-))))

init-y      
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in
.o, $(init-y))
core-y      
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in
.o, $(core-y))
drivers-y   
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in
.o, $(drivers-y))
net-y       
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in
.o, $(net-y))
libs-y1     
:
= $(patsubst 
%/, %/
lib.a, $(libs-y))
libs-y2     
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in 
.o, $(libs-y))
libs-y      
:
= $(libs-y1) $(libs-y2)
virt-y      
:
= $(patsubst 
%/, %/
built-
in
.o, $(virt-y))
 
export KBUILD_ALLDIRS 
:
= $(sort $(filter-out arch/%,$(vmlinux-alldirs)) arch Documentation 
include
 samples>

patsubst和filter是Makefile的內置函數，說明如下：

$(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))

尋找$(init-y)中符合格式“%/”的字符串，用“%/built-in.o”替換它們。在之前我們有定義init-y的值為init/,所以，經過這麼轉換，init-y的值就變成了init/built-init.o了。其他同理。

而 $(filter pattern..., text)表示返回在“text”中由空格隔開且匹配格式“pattern...”的字符串，去掉不符合格式“pattern...”的字符串。例如：

<code>$(
filter
 %.
c
 %.s, foo.
c
 bar.
c
 jin.s xin.h)
結果為：foo.
c
 bar.
c
 jin.s/<code>

根據以上的分析，最終vmlinux-dirs的值為：

<code>
init
 usr arch/x86 kernel certs mm fs ipc security crypto block drivers sound firmware \ 
arch/x86/pci arch/x86/power arch/x86/video arch/x86/ras net lib arch/x86/lib virt/<code>

最終vmlinux-alldirs的值為：

<code>  
arch/x86/lib arch/x86/math-emu arch/x86/oprofile arch/x86/pci \
arch/x86/power arch/x86/ras arch/x86/video block certs crypto drivers firmware \
fs init ipc kernel lib mm net security sound usr virt
/<code>

linux內核代碼的鏈接腳本為：arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds。 對於x86，則位於
arch/x86/kernel/vmlinux.lds, 它是由
arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S文件生成的。

在編譯內核的時候指定：make V=1,則可以打印出具體的編譯細節，最終編譯出linux內核鏡像的編譯過程為：

<code>
ld
 
-m elf_x86_64 -z max-page-size=0x200000 --build-id -o vmlinux \
  -T ./arch/x86/kernel/vmlinux.lds arch/x86/kernel/head_64.o \ 
    
arch/x86/kernel/ebda.o \
  arch/x86/kernel/platform-quirks.o init/built-in.o \
    --start-group usr/built-in.o arch/x86/built-in.o \
    kernel/built-in.o certs/built-in.o mm/built-in.o \
    fs/built-in.o ipc/built-in.o security/built-in.o \
    crypto/built-in.o block/built-in.o lib/lib.a \
    arch/x86/lib/lib.a lib/built-in.o arch/x86/lib/built-in.o \
    drivers/built-in.o sound/built-in.o firmware/built-in.o \
    arch/x86/pci/built-in.o arch/x86/power/built-in.o \
    arch/x86/video/built-in.o arch/x86/ras/built-in.o \
    net/built-in.o virt/built-in.o --end-group .tmp_kallsyms2.o
/<code>

總結一下，linux內核源碼的編譯過程為：

• 頂層Makefile決定了linux內核源碼各個目錄和子目錄的編譯順序
• make menuconfig通過對內核配置，生成了一系列CONFIG_XXX的配置
• 各層級的Makefile結合這些CONFIG_XXX配置來決定哪些文件被編譯到內核、哪些文件被編譯成驅動
• 頂層Makefile按照鏈接腳本鏈接所有的.o文件並最終打包成一個完整的內核鏡像文件vmlinux。

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