柴米油盐计划

Kbuild 编译 Linux 内核系列(八)

Author: Wei Yang
作者公众号:杨小伟的世界

原来安装的是它

编译完内核,接下来要做的就是安装新的内核来使用了。那安装的是哪个文件呢?

关于这个问题,昨天我还真好好看了一下,发现原来安装的不是根目录下的 vmlinux ,而是 bzImage 。玩了内核这么多年,一直都以为是根目录下的那个 vmlinux 是安装时拷贝到 /boot 目录下的文件,结果原来不是。真是惭愧惭愧。

我是从 make install 这个规则开始找下去的。

boot := arch/x86/boot
install:
    $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $@

这个规则在 arch/x86/Makefile 中,好奇为什么没有在根 Makefile 里找到。

那实际上真正执行的是在 arch/x86/boot/Makefile 中这个规则

install:
    sh $(srctree)/$(src)/install.sh $(KERNELRELEASE) $(obj)/bzImage 
        System.map "$(INSTALL_PATH)"

对应 x86 架构,在这个 install.sh 就是 arch/x86/boot/install.sh 。虽然脚本中有几种安装内核的方式,不过我们只看其中一种也就能确认安装在 /boot 目录下的是 bzImage 而不是 vmlinux 了。

cat $2 > $4/vmlinuz

所以说不看不知道,一看吓一跳。以后不敢说自己懂内核了。

目标在哪里?

我们在内核编译的小目标一文中也提到过, bzImage 是 x86 平台下默认的目标之一。但是并没有在根目录的 Makefile 中发现 bzImage 目标。 而在根目录的 Makefile 中的前面部分有

include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile

这个是不同的 arch 会 include 不同的文件,比如是 x86 的架构就会 include arch/x86/Makefile 。
打开一看,果不其然。

# Default kernel to build
all: bzImage

好了,我们终于找到这个 bzImage 的 target 了,在 x86 平台它也是 all 的一部分。
来看看具体是什么。

生成规则

在 arch/x86/Makefile 中, bzImage 具体定义是这么个样子的。

# KBUILD_IMAGE specify target image being built
KBUILD_IMAGE := $(boot)/bzImage

bzImage: vmlinux
ifeq ($(CONFIG_X86_DECODER_SELFTEST),y)
    $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools posttest
endif
    $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE)
    $(Q)mkdir -p $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot
    $(Q)ln -fsn ../../x86/boot/bzImage $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot/$@

又是一坨这么长的,整的好生心烦。幸好,看到了一个眼熟的 $(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE) 。这个不是我们编译具体目标的时候经常看到的么?咱来展开看一眼:

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/x86/boot arch/x86/boot/bzImage

是不是觉得好像亲切了一些?
对 scripts/Makefile.build 文件再补充一点,在该文件的开头处出了包含了 scripts/Kbuild.include 文件,还包含了一个 $(build-file) 文件。
先来看一下这个变量的定义:

#The filename Kbuild has precedence over Makefile
kbuild-dir := $(if $(filter /%,$(src)),$(src),$(srctree)/$(src))
kbuild-file := $(if $(wildcard $(kbuild-dir)/Kbuild),$(kbuild-dir)/Kbuild,$(kbuild-dir)/Makefile)
include $(kbuild-file)

你猜到了什么不? 没猜到? 再看一眼上面的注释?
对了,这个就是单个目录下符合 kbuild 系统的规则文件。
你还记得编译一个内核模块时候那个 Makefile 中定义的 obj-y , obj-m 么?为什么我们在内核模块中的规则文件只需要定义这几个变量,就可以编译出目标文件和模块呢?原因就是在 scripts/Makefile.build 中包含了目标目录下的规则文件。

不懂也没关系,看多了日后自然知晓。
先看一下当前包含的文件,这次包含的是 arch/x86/boot/Makefile 。里面有这么一句。

quiet_cmd_image = BUILD   $@
cmd_image = $(obj)/tools/build $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin 
                   $(obj)/zoffset.h $@

$(obj)/bzImage: $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin $(obj)/tools/build FORCE
    $(call if_changed,image)
    @echo 'Kernel: $@ is ready' ' (#'`cat .version`')'

简单明了,会心一笑。
所以最后的最后是通过 tools/build 这个用户态工具生成 bzImage 文件,而依赖的文件是 setup.bin 和 vmlinux.bin 。
当然加上绝对路径后,这几个文件分别是。

arch/x86/boot/tools/build
arch/x86/boot/setup.bin
arch/x86/boot/vmlinux.bin
arch/x86/boot/zoffset.h arch/x86/boot/bzImage                                                                              

看看这个 build 都做了什么~

这是一个用户态的程序,文件在 arch/x86/boot/tools/build.c 。虽然说 main 函数的主体结构相对简洁清晰,但实际上包含了不少文件格式相关的检查和动态填充。不少细节我也不是很懂,而且本主题关注的还是 bzImage 编译过程,所以细节部分就暂且略过。

来看我们能看得明白的,按照相关线索抽取了代码。
回忆一下最后 build 的命令。

$(obj)/tools/build $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin 
                   $(obj)/zoffset.h $@

拷贝 setup.bin

    dest = fopen(argv[4], "w");

    file = fopen(argv[1], "r");
    c = fread(buf, 1, sizeof(buf), file);

    if (fwrite(buf, 1, i, dest) != i)
        die("Writing setup failed");
  • 先打开了 bzImage ,叫 dest 。
  • 然后读取 setup.bin 到 buf 。
  • 最后写入 bzImage 。

拷贝 vmlinux.bin

    fd = open(argv[2], O_RDONLY);

    kernel = mmap(NULL, sz, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);

    /* Copy the kernel code */
    crc = partial_crc32(kernel, sz, crc);
    if (fwrite(kernel, 1, sz, dest) != sz)
        die("Writing kernel failed");
  • 先打开了 vmlinux.bin 。
  • 进行 map 文件映射。
  • 拷贝到了 dest 指向的 bzImage 。

是不是也挺简单的呢。

一张图显示依赖关系

         setup.bin    vmlinux.bin  
                        /
                       /
                 bzImage

丑是丑了点,毕竟清晰了些。

心中的疑惑

bzImage 的编译过程就告一段落,然而心中的疑惑更多了。作为保存在磁盘上的一个文件, grub 又是如何加载?加载到内存的哪个位置?加载时首先执行的是哪条指令?bzImage 的两个组成部分 vmlinux.bin 和 setup.bin 又是怎么出现的呢?

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。


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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