柴米油盐计划

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) &amp;&amp; /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。
LinuxStory 整理发布。
原作者署名为:Wei Yang 。
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