Kbuild 编译 Linux 内核系列（七）
Author: Wei Yang
作者公众号：杨小伟的世界
有编译过内核的话，一般都会看到在根目录下有个文件 vmlinux ，这个就是通常所说的内核了。但是用了这么久，倒是从来没看过是怎么编译出来的。那今天我们就通过它来试试我们这知识到底有没有掌握。
1 那些七大姑八大姨们
一切的一切都是 make 读取 makefile 编译链接的，就好像孙悟空逃不出如来佛祖的手掌， vmlinux 的出世也是在 makefile 的安排之下。那就现在看看 makefile 。
# SHELL used by kbuild
CONFIG_SHELL := $(shell if [ -x "$$BASH" ]; then echo $$BASH; \
else if [ -x /bin/bash ]; then echo /bin/bash; \
else echo sh; fi ; fi)
# Final link of vmlinux
cmd_link-vmlinux = $(CONFIG_SHELL) $< $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_vmlinux)
quiet_cmd_link-vmlinux = LINK $@
vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh vmlinux_prereq $(vmlinux-deps) FORCE
+$(call if_changed,link-vmlinux)
第一次看完这一段差点一口老血吐出来，我真是没有想到他们尽然可以这么玩。。。还好我们已经经历过了之前的九九八十一难，见到这些也还能算是气定神闲了～
if_changed 也是在头文件 scripts/Kbuild.include 中定义，详细解释可以看 if_changed 。这个的用法也是类似之前看到的 if_changed_rule 是一个回调函数，当条件满足就运行 cmd_link-vmlinux 。 而这个 cmd_link-vmlinux 就是把第一个依赖作为脚本传给了系统使用的 shell ，由系统 shell 执行。好吧，我也是醉了，不过道行也就这么又深了一点点。你说是不是。
回到正题，这次我们先看看 vmlinux 相关依赖的都是谁。
vmlinux 一共依赖两个 一个是 vmlinux_prereq ，另一个是 vmlinux-deps 。那分头分析。
1.1 vmlinux_prereq
# Include targets which we want to execute sequentially if the rest of the
# kernel build went well. If CONFIG_TRIM_UNUSED_KSYMS is set, this might be
# evaluated more than once.
PHONY += vmlinux_prereq
vmlinux_prereq: $(vmlinux-deps) FORCE
ifdef CONFIG_HEADERS_CHECK
$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile headers_check
endif
ifdef CONFIG_BUILD_DOCSRC
$(Q)$(MAKE) $(build)=Documentation
endif
ifdef CONFIG_GDB_SCRIPTS
$(Q)ln -fsn `cd $(srctree) && /bin/pwd`/scripts/gdb/vmlinux-gdb.py
endif
ifdef CONFIG_TRIM_UNUSED_KSYMS
$(Q)$(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/adjust_autoksyms.sh \
"$(MAKE) KBUILD_MODULES=1 -f $(srctree)/Makefile vmlinux_prereq"
endif
这个看觉和最后的 vmlinux 关系不大， 咱暂时就不看了。
1.2 vmlinux-deps
vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
vmlinux-deps 是这几个变量的集合，这下再次展开，我们一个个来看～
1.2.1 KBUILD_LDS —— 链接文件
export KBUILD_LDS := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds
这个好说，就是链接文件～好多秘密都在这里，暂且不表，之后再说。
1.2.2 KBUILD_VMLINUX_INIT
export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y)
KBUILD_VMLINUX_INIT 又是两个变量的集合， head-y 和 init-y 。
1.2.2.1 head-y
这个 head-y 定义根据架构不同而不同，比如在 x86 架构下，该定义为：
head-y := arch/x86/kernel/head_$(BITS).o
head-y += arch/x86/kernel/head$(BITS).o
head-y += arch/x86/kernel/head.o
恩，就一个架构，都还有三个文件，好多～忘了说了，这几个定义在 arch/x86/Makefile 中。那是怎么被根目录的 Makefile 引用到的呢？你猜？
在搜索的时候又发现这么一句在文档中。
$(head-y) lists objects to be linked first in vmlinux.
这个提醒了我一下，在链接的时候，文件出现的顺序是有影响的。
1.2.2.2 init-y
init-y := init/
init-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
init-y 有两种情况。
- 是 init/ 这个目录
- 是 init/built-in.o 这个文件。
在不同情况下展现出不同形式。而在 KBUILD_VMLINUX_INIT 这个变量中，保存的是 init/built-in.o 。
1.2.3 KBUILD_VMLINUX_MAIN
export KBUILD_VMLINUX_MAIN := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y) $(virt-y)
这个包含的内容比较多了啊。
#core-y
core-y := usr/
core-y += kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/
core-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))
#libs-y
libs-y := lib/
libs-y1 := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2 := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
libs-y := $(libs-y1) $(libs-y2)
#drivers-y
drivers-y := drivers/ sound/ firmware/
drivers-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
#net-y
net-y := net/
net-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))
#virt-y
virt-y := virt/
virt-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(virt-y))
这下，内核根目录下所有的子目录就都包含了～
除了lib目录下有两个文件， built-in.o 和 lib.a ，其余下都只有一个文件 built-in.o 。到这里你有没有感觉眼前一亮？有没有觉得这个 built-in.o 很眼熟？
1.2.3.1 VMLINUX_MAIN 中目标是如何的编译
可以看到 VMLINUX_MAIN 中包含的都是内核子系统的根目标了。我们可以猜到最终根目录下的 vmlinux 就是由这些根目标链接而成。那这些子系统的根目标是如何生成的呢？
过程有点绕，我们还是直接来看代码。
"Makefile"
vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
# The actual objects are generated when descending,
# make sure no implicit rule kicks in
$(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
凡是在 vmlinux-deps 中的变量，都依赖于 vmlinux-dirs 变量的值。那就去看看 vmlinux-dirs 中的目标是什么规则咯。
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)))
# Handle descending into subdirectories listed in $(vmlinux-dirs)
# Preset locale variables to speed up the build process. Limit locale
# tweaks to this spot to avoid wrong language settings when running
# make menuconfig etc.
# Error messages still appears in the original language
PHONY += $(vmlinux-dirs)
$(vmlinux-dirs): prepare scripts
$(Q)$(MAKE) $(build)=$@
vmlinux-dirs 定义为目录。而他的规则是 $(Q)$(MAKE) $(build)=$@ 。按照在 scripts/Kbuild.include 中的定义，展开后就像下面这样。
make -f scripts/Makefile.build obj=$@
他的意思就是，各回各家，各找各妈，各自去各自的目录去执行编译吧～
2 谁是你们的粘合剂
看到了这么多内核子系统的根目标，现在该是时候把他们链接起来生成 vmlinux 了～
还记得 cmd_link-vmlinux 这个命令么？
cmd_link-vmlinux = $(CONFIG_SHELL) $< $(LD) $(LDFLAGS)
这是 make 中定义的自动变量，表示依赖关系中的第一个依赖。在 vmlinux 规则中，第一个依赖是 scripts/link-vmlinux.sh 。所以接下来的链接工作，就靠它了。
2.1 vmlinux_link
这个脚本中除了链接 vmlinux 之外，还做了些其他的事情。我们暂且不表。还是来专注看看 vmlinux 是怎么链接的。
info LD vmlinux
vmlinux_link "${kallsymso}" vmlinux
然后又调用了 vmlinux_link 。
# Link of vmlinux
# ${1} - optional extra .o files
# ${2} - output file
vmlinux_link()
{
local lds="${objtree}/${KBUILD_LDS}"
local objects
if [ "${SRCARCH}" != "um" ]; then
if [ -n "${CONFIG_THIN_ARCHIVES}" ]; then
objects="--whole-archive built-in.o ${1}"
else
objects="${KBUILD_VMLINUX_INIT} \
--start-group \
${KBUILD_VMLINUX_MAIN} \
--end-group \
${1}"
fi
${LD} ${LDFLAGS} ${LDFLAGS_vmlinux} -o ${2} \
-T ${lds} ${objects}
else
if [ -n "${CONFIG_THIN_ARCHIVES}" ]; then
objects="-Wl,--whole-archive built-in.o ${1}"
else
objects="${KBUILD_VMLINUX_INIT} \
-Wl,--start-group \
${KBUILD_VMLINUX_MAIN} \
-Wl,--end-group \
${1}"
fi
${CC} ${CFLAGS_vmlinux} -o ${2} \
-Wl,-T,${lds} \
${objects} \
-lutil -lrt -lpthread
rm -f linux
fi
}
截取其中关键的一点。
${LD} ${LDFLAGS} ${LDFLAGS_vmlinux} -o ${2} \
-T ${lds} ${objects}
这不就是一个普通的链接么，再看看链接了谁？ objects 嘛。那 objects 都是谁呢？就是我们刚才分析的 KBUILD_VMLINUX_INIT 和 KBUILD_VMLINUX_MAIN 呗～
嗯，没错就是它了。
3 一张图总结
最后画一张图吧。
kernel/built-in.o certs/built-in.o
mm/built-in.o fs/built-in.o
ipc/buit-in.o security/built-in.o
crypto/built-in.o block/built-in.o
lib/built-in.o lib/lib.a
head_64.o usr/built-in.o drivers/built-in.o
head64.o sound/built-in.o firmware/built-in.o
head.o init/built-in.o net/built-in.o virt/built-in.o
|| || || ||
$(head-y) $(init-y) $(core-y) $(drivers-y)
$(net-y) $(libs-y)
$(virt-y)
| | | |
| | | |
\ / \ /
\ / \ /
KBUILD_VMLINUX_INIT KBUILD_VMLINUX_MAIN
\ /
\ /
vmlinux
嗯，丑是丑了点，不过意思都在了。
本文是 LinuxStory 柴米油盐计划的投稿文章。
由 LinuxStory 整理发布。
原作者署名为：Wei Yang 。
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