Kbuild 編譯 Linux 內核系列（八）

Author: Wei Yang
作者公眾號：楊小偉的世界

原來安裝的是它

編譯完內核，接下來要做的就是安裝新的內核來使用了。那安裝的是哪個文件呢？

關於這個問題，昨天我還真好好看了一下，發現原來安裝的不是根目錄下的 vmlinux ，而是 bzImage 。玩了內核這麼多年，一直都以為是根目錄下的那個 vmlinux 是安裝時拷貝到 /boot 目錄下的文件，結果原來不是。真是慚愧慚愧。

我是從 make install 這個規則開始找下去的。

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

這個規則在 arch/x86/Makefile 中，好奇為什麼沒有在根 Makefile 里找到。

那實際上真正執行的是在 arch/x86/boot/Makefile 中這個規則

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

對應 x86 架構，在這個 install.sh 就是 arch/x86/boot/install.sh 。雖然腳本中有幾種安裝內核的方式，不過我們只看其中一種也就能確認安裝在 /boot 目錄下的是 bzImage 而不是 vmlinux 了。

cat $2 > $4/vmlinuz

所以說不看不知道，一看嚇一跳。以後不敢說自己懂內核了。

目標在哪裡？

我們在內核編譯的小目標一文中也提到過， bzImage 是 x86 平台下默認的目標之一。但是並沒有在根目錄的 Makefile 中發現 bzImage 目標。 而在根目錄的 Makefile 中的前面部分有

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

這個是不同的 arch 會 include 不同的文件，比如是 x86 的架構就會 include arch/x86/Makefile 。
打開一看，果不其然。

# Default kernel to build
all: bzImage

好了，我們終於找到這個 bzImage 的 target 了，在 x86 平台它也是 all 的一部分。
來看看具體是什麼。

生成規則

在 arch/x86/Makefile 中， bzImage 具體定義是這麼個樣子的。

# 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/$@

又是一坨這麼長的，整的好生心煩。幸好，看到了一個眼熟的 $(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE) 。這個不是我們編譯具體目標的時候經常看到的么？咱來展開看一眼：

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

是不是覺得好像親切了一些？
對 scripts/Makefile.build 文件再補充一點，在該文件的開頭處出了包含了 scripts/Kbuild.include 文件，還包含了一個 $(build-file) 文件。
先來看一下這個變數的定義：

#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)

你猜到了什麼不？ 沒猜到？ 再看一眼上面的注釋？
對了，這個就是單個目錄下符合 kbuild 系統的規則文件。
你還記得編譯一個內核模塊時候那個 Makefile 中定義的 obj-y ， obj-m 么？為什麼我們在內核模塊中的規則文件只需要定義這幾個變數，就可以編譯出目標文件和模塊呢？原因就是在 scripts/Makefile.build 中包含了目標目錄下的規則文件。

不懂也沒關係，看多了日後自然知曉。
先看一下當前包含的文件，這次包含的是 arch/x86/boot/Makefile 。裡面有這麼一句。

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`')'

簡單明了，會心一笑。
所以最後的最後是通過 tools/build 這個用戶態工具生成 bzImage 文件，而依賴的文件是 setup.bin 和 vmlinux.bin 。
當然加上絕對路徑後，這幾個文件分別是。

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

看看這個 build 都做了什麼～

這是一個用戶態的程序，文件在 arch/x86/boot/tools/build.c 。雖然說 main 函數的主體結構相對簡潔清晰，但實際上包含了不少文件格式相關的檢查和動態填充。不少細節我也不是很懂，而且本主題關注的還是 bzImage 編譯過程，所以細節部分就暫且略過。

來看我們能看得明白的，按照相關線索抽取了代碼。
回憶一下最後 build 的命令。

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

拷貝 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");

• 先打開了 bzImage ，叫 dest 。
• 然後讀取 setup.bin 到 buf 。
• 最後寫入 bzImage 。

拷貝 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");

• 先打開了 vmlinux.bin 。
• 進行 map 文件映射。
• 拷貝到了 dest 指向的 bzImage 。

是不是也挺簡單的呢。

一張圖顯示依賴關係

         setup.bin    vmlinux.bin  
                        /
                       /
                 bzImage

丑是丑了點，畢竟清晰了些。

心中的疑惑

bzImage 的編譯過程就告一段落，然而心中的疑惑更多了。作為保存在磁碟上的一個文件， grub 又是如何載入？載入到內存的哪個位置？載入時首先執行的是哪條指令？bzImage 的兩個組成部分 vmlinux.bin 和 setup.bin 又是怎麼出現的呢？

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

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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