Kbuild 編譯 Linux 內核系列（七）
Author: Wei Yang
作者公眾號：楊小偉的世界
有編譯過內核的話，一般都會看到在根目錄下有個文件 vmlinux ，這個就是通常所說的內核了。但是用了這麼久，倒是從來沒看過是怎麼編譯出來的。那今天我們就通過它來試試我們這知識到底有沒有掌握。
1 那些七大姑八大姨們
一切的一切都是 make 讀取 makefile 編譯鏈接的，就好像孫悟空逃不出如來佛祖的手掌， vmlinux 的出世也是在 makefile 的安排之下。那就現在看看 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)
第一次看完這一段差點一口老血吐出來，我真是沒有想到他們盡然可以這麼玩。。。還好我們已經經歷過了之前的九九八十一難，見到這些也還能算是氣定神閑了～
if_changed 也是在頭文件 scripts/Kbuild.include 中定義，詳細解釋可以看 if_changed 。這個的用法也是類似之前看到的 if_changed_rule 是一個回調函數，當條件滿足就運行 cmd_link-vmlinux 。 而這個 cmd_link-vmlinux 就是把第一個依賴作為腳本傳給了系統使用的 shell ，由系統 shell 執行。好吧，我也是醉了，不過道行也就這麼又深了一點點。你說是不是。
回到正題，這次我們先看看 vmlinux 相關依賴的都是誰。
vmlinux 一共依賴兩個 一個是 vmlinux_prereq ，另一個是 vmlinux-deps 。那分頭分析。
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
這個看覺和最後的 vmlinux 關係不大， 咱暫時就不看了。
1.2 vmlinux-deps
vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
vmlinux-deps 是這幾個變數的集合，這下再次展開，我們一個個來看～
1.2.1 KBUILD_LDS —— 鏈接文件
export KBUILD_LDS := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds
這個好說，就是鏈接文件～好多秘密都在這裡，暫且不表，之後再說。
1.2.2 KBUILD_VMLINUX_INIT
export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y)
KBUILD_VMLINUX_INIT 又是兩個變數的集合， head-y 和 init-y 。
1.2.2.1 head-y
這個 head-y 定義根據架構不同而不同，比如在 x86 架構下，該定義為：
head-y := arch/x86/kernel/head_$(BITS).o
head-y += arch/x86/kernel/head$(BITS).o
head-y += arch/x86/kernel/head.o
恩，就一個架構，都還有三個文件，好多～忘了說了，這幾個定義在 arch/x86/Makefile 中。那是怎麼被根目錄的 Makefile 引用到的呢？你猜？
在搜索的時候又發現這麼一句在文檔中。
$(head-y) lists objects to be linked first in vmlinux.
這個提醒了我一下，在鏈接的時候，文件出現的順序是有影響的。
1.2.2.2 init-y
init-y := init/
init-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
init-y 有兩種情況。
- 是 init/ 這個目錄
- 是 init/built-in.o 這個文件。
在不同情況下展現出不同形式。而在 KBUILD_VMLINUX_INIT 這個變數中，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)
這個包含的內容比較多了啊。
#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))
這下，內核根目錄下所有的子目錄就都包含了～
除了lib目錄下有兩個文件， built-in.o 和 lib.a ，其餘下都只有一個文件 built-in.o 。到這裡你有沒有感覺眼前一亮？有沒有覺得這個 built-in.o 很眼熟？
1.2.3.1 VMLINUX_MAIN 中目標是如何的編譯
可以看到 VMLINUX_MAIN 中包含的都是內核子系統的根目標了。我們可以猜到最終根目錄下的 vmlinux 就是由這些根目標鏈接而成。那這些子系統的根目標是如何生成的呢？
過程有點繞，我們還是直接來看代碼。
"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 中的變數，都依賴於 vmlinux-dirs 變數的值。那就去看看 vmlinux-dirs 中的目標是什麼規則咯。
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 定義為目錄。而他的規則是 $(Q)$(MAKE) $(build)=$@ 。按照在 scripts/Kbuild.include 中的定義，展開後就像下面這樣。
make -f scripts/Makefile.build obj=$@
他的意思就是，各回各家，各找各媽，各自去各自的目錄去執行編譯吧～
2 誰是你們的粘合劑
看到了這麼多內核子系統的根目標，現在該是時候把他們鏈接起來生成 vmlinux 了～
還記得 cmd_link-vmlinux 這個命令么？
cmd_link-vmlinux = $(CONFIG_SHELL) $< $(LD) $(LDFLAGS)
這是 make 中定義的自動變數，表示依賴關係中的第一個依賴。在 vmlinux 規則中，第一個依賴是 scripts/link-vmlinux.sh 。所以接下來的鏈接工作，就靠它了。
2.1 vmlinux_link
這個腳本中除了鏈接 vmlinux 之外，還做了些其他的事情。我們暫且不表。還是來專註看看 vmlinux 是怎麼鏈接的。
info LD vmlinux
vmlinux_link "${kallsymso}" vmlinux
然後又調用了 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
}
截取其中關鍵的一點。
${LD} ${LDFLAGS} ${LDFLAGS_vmlinux} -o ${2} \
-T ${lds} ${objects}
這不就是一個普通的鏈接么，再看看鏈接了誰？ objects 嘛。那 objects 都是誰呢？就是我們剛才分析的 KBUILD_VMLINUX_INIT 和 KBUILD_VMLINUX_MAIN 唄～
嗯，沒錯就是它了。
3 一張圖總結
最後畫一張圖吧。
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，丑是丑了點，不過意思都在了。
本文是 LinuxStory 柴米油鹽計劃的投稿文章。
由 LinuxStory 整理髮布。
原作者署名為：Wei Yang 。
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