探索 Linux 內核：Kconfig/kbuild 的秘密

自從 Linux 內核代碼遷移到 Git 以來，Linux 內核配置/構建系統（也稱為 Kconfig/kbuild）已存在很長時間了。然而，作為支持基礎設施，它很少成為人們關注的焦點；甚至在日常工作中使用它的內核開發人員也從未真正思考過它。

為了探索如何編譯 Linux 內核，本文將深入介紹 Kconfig/kbuild 內部的過程，解釋如何生成 .config 文件和 vmlinux/bzImage 文件，並介紹一個巧妙的依賴性跟蹤技巧。

Kconfig

構建內核的第一步始終是配置。Kconfig 有助於使 Linux 內核高度模塊化和可定製。Kconfig 為用戶提供了許多配置目標：

我認為 menuconfig 是這些目標中最受歡迎的。這些目標由不同的 主程序 host program 處理，這些程序由內核提供並在內核構建期間構建。一些目標有 GUI（為了方便用戶），而大多數沒有。與 Kconfig 相關的工具和源代碼主要位於內核源代碼中的 scripts/kconfig/ 下。從 scripts/kconfig/Makefile 中可以看到，這裡有幾個主程序，包括 conf、mconf 和 nconf。除了 conf 之外，每個都負責一個基於 GUI 的配置目標，因此，conf 處理大多數目標。

從邏輯上講，Kconfig 的基礎結構有兩部分：一部分實現一種新語言來定義配置項（參見內核源代碼下的 Kconfig 文件），另一部分解析 Kconfig 語言並處理配置操作。

大多數配置目標具有大致相同的內部過程（如下所示）：

請注意，所有配置項都具有默認值。

第一步讀取源代碼根目錄下的 Kconfig 文件，構建初始配置資料庫；然後它根據如下優先順序讀取現有配置文件來更新初始資料庫：

1. .config
2. /lib/modules/$(shell,uname -r)/.config
3. /etc/kernel-config
4. /boot/config-$(shell,uname -r)
5. ARCH_DEFCONFIG
6. arch/$(ARCH)/defconfig

如果你通過 menuconfig 進行基於 GUI 的配置或通過 oldconfig 進行基於命令行的配置，則根據你的自定義更新資料庫。最後，該配置資料庫被轉儲到 .config 文件中。

但 .config 文件不是內核構建的最終素材；這就是 syncconfig 目標存在的原因。syncconfig曾經是一個名為 silentoldconfig 的配置目標，但它沒有做到其舊名稱所說的工作，所以它被重命名。此外，因為它是供內部使用的（不適用於用戶），所以它已從上述列表中刪除。

以下是 syncconfig 的作用：

syncconfig 將 .config 作為輸入並輸出許多其他文件，這些文件分為三類：

• auto.conf ＆ tristate.conf 用於 makefile 文本處理。例如，你可以在組件的 makefile 中看到這樣的語句：obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o。
• autoconf.h 用於 C 語言的源文件。
• include/config/ 下空的頭文件用於 kbuild 期間的配置依賴性跟蹤。下面會解釋。

配置完成後，我們將知道哪些文件和代碼片段未編譯。

kbuild

組件式構建，稱為遞歸 make，是 GNU make 管理大型項目的常用方法。kbuild 是遞歸 make 的一個很好的例子。通過將源文件劃分為不同的模塊/組件，每個組件都由其自己的 makefile 管理。當你開始構建時，頂級 makefile 以正確的順序調用每個組件的 makefile、構建組件，並將它們收集到最終的執行程序中。

kbuild 指向到不同類型的 makefile：

• Makefile 位於源代碼根目錄的頂級 makefile。
• .config 是內核配置文件。
• arch/$(ARCH)/Makefile 是架構的 makefile，它用於補充頂級 makefile。
• scripts/Makefile.* 描述所有的 kbuild makefile 的通用規則。
• 最後，大約有 500 個 kbuild makefile。

頂級 makefile 會將架構 makefile 包含進去，讀取 .config 文件，下到子目錄，在 scripts/ Makefile.* 中定義的常式的幫助下，在每個組件的 makefile 上調用 make，構建每個中間對象，並將所有的中間對象鏈接為 vmlinux。內核文檔 Documentation/kbuild/makefiles.txt 描述了這些 makefile 的方方面面。

作為一個例子，讓我們看看如何在 x86-64 上生成 vmlinux：


（此插圖基於 Richard Y. Steven 的博客。有過更新，並在作者允許的情況下使用。）

進入 vmlinux 的所有 .o 文件首先進入它們自己的 built-in.a，它通過變數KBUILD_VMLINUX_INIT、KBUILD_VMLINUX_MAIN、KBUILD_VMLINUX_LIBS 表示，然後被收集到 vmlinux 文件中。

在下面這個簡化的 makefile 代碼的幫助下，了解如何在 Linux 內核中實現遞歸 make：

# 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 make 的 配方 recipe 被擴展開是這樣的：

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

這意味著 make 將進入 scripts/Makefile.build 以繼續構建每個 built-in.a。在scripts/link-vmlinux.sh 的幫助下，vmlinux 文件最終位於源根目錄下。

vmlinux 與 bzImage 對比

許多 Linux 內核開發人員可能不清楚 vmlinux 和 bzImage 之間的關係。例如，這是他們在 x86-64 中的關係：

源代碼根目錄下的 vmlinux 被剝離、壓縮後，放入 piggy.S，然後與其他對等對象鏈接到 arch/x86/boot/compressed/vmlinux。同時，在 arch/x86/boot 下生成一個名為 setup.bin 的文件。可能有一個可選的第三個文件，它帶有重定位信息，具體取決於 CONFIG_X86_NEED_RELOCS 的配置。

由內核提供的稱為 build 的宿主程序將這兩個（或三個）部分構建到最終的 bzImage 文件中。

依賴跟蹤

kbuild 跟蹤三種依賴關係：

1. 所有必備文件（*.c 和 *.h）
2. 所有必備文件中使用的 CONFIG_ 選項
3. 用於編譯該目標的命令行依賴項

第一個很容易理解，但第二個和第三個呢？ 內核開發人員經常會看到如下代碼：

#ifdef CONFIG_SMP
__boot_cpu_id = cpu;
#endif

當 CONFIG_SMP 改變時，這段代碼應該重新編譯。編譯源文件的命令行也很重要，因為不同的命令行可能會導致不同的目標文件。

當 .c 文件通過 #include 指令使用頭文件時，你需要編寫如下規則：

main.o: defs.h
        recipe...

管理大型項目時，需要大量的這些規則；把它們全部寫下來會很乏味無聊。幸運的是，大多數現代 C 編譯器都可以通過查看源文件中的 #include 行來為你編寫這些規則。對於 GNU 編譯器集合（GCC），只需添加一個命令行參數：-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 .d 文件，內容如下：

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 
    ...

然後主程序 fixdep 通過將 depfile 文件和命令行作為輸入來處理其他兩個依賴項，然後以 makefile 格式輸出一個 .<target>.cmd 文件，它記錄命令行和目標的所有先決條件（包括配置）。 它看起來像這樣：

# 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 make 中，.<target>.cmd 文件將被包含，以提供所有依賴關係信息並幫助決定是否重建目標。

這背後的秘密是 fixdep 將解析 depfile（.d 文件），然後解析裡面的所有依賴文件，搜索所有 CONFIG_ 字元串的文本，將它們轉換為相應的空的頭文件，並將它們添加到目標的先決條件。每次配置更改時，相應的空的頭文件也將更新，因此 kbuild 可以檢測到該更改並重建依賴於它的目標。因為還記錄了命令行，所以很容易比較最後和當前的編譯參數。

展望未來

Kconfig/kbuild 在很長一段時間內沒有什麼變化，直到新的維護者 Masahiro Yamada 於 2017 年初加入，現在 kbuild 正在再次積極開發中。如果你不久後看到與本文中的內容不同的內容，請不要感到驚訝。

via: https://opensource.com/article/18/10/kbuild-and-kconfig

作者：Cao Jin 選題：lujun9972 譯者：wxy 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive