探索Linux内核：Kconfig / kbuild的秘密
深入了解Linux配置/构建系统的工作原理
自从Linux内核代码迁移到Git以来，Linux内核配置/构建系统（也称为Kconfig / kbuild）已存在很长时间了。然而，作为支持基础设施，它很少成为人们关注的焦点; 甚至在日常工作中使用它的内核开发人员也从未真正考虑过它。
为了探索如何编译Linux内核，本文将深入介绍Kconfig / kbuild内部进程，解释如何生成.config文件和vmlinux / bzImage文件，并介绍依赖性跟踪的智能技巧。
Kconfig
构建内核的第一步始终是配置。Kconfig有助于使Linux内核高度模块化和可定制。Kconfig为用户提供了许多配置目标：
| 配置 | 使用面向行的程序更新当前配置 |
|---|---|
| nconfig | 使用ncurses基于菜单的程序更新当前配置 |
| menuconfig | 使用基于菜单的程序更新当前配置 |
| xconfig的 | 使用基于Qt的前端更新当前配置 |
| gconfig | 使用基于GTK +的前端更新当前配置 |
| oldconfig | 使用提供的.config作为基础更新当前配置 |
| localmodconfig | 更新当前配置禁用未加载的模块 |
| localyesconfig | 更新将本地mod转换为核心的当前配置 |
| defconfig | 默认来自Arch提供的defconfig的新配置 |
| savedefconfig | 将当前配置保存为./defconfig（最小配置） |
| allnoconfig | 新配置，其中所有选项均以“否”回答 |
| allyesconfig | 使用“是”接受所有选项的新配置 |
| allmodconfig | 尽可能新的配置选择模块 |
| alldefconfig | 所有符号都设置为默认值的新配置 |
| randconfig | 新配置，随机回答所有选项 |
| listnewconfig | 列出新选项 |
| olddefconfig | 与oldconfig相同，但在没有提示的情况下将新符号设置为其默认值 |
| kvmconfig | 为KVM来宾内核支持启用其他选项 |
| xenconfig | 为xen dom0和来宾内核支持启用其他选项 |
| tinyconfig | 配置最小的内核 |
我认为menuconfig是这些目标中最受欢迎的。目标由不同的主程序处理，这些程序由内核提供并在内核构建期间构建。一些目标有一个GUI（为了方便用户），而大多数没有。与Kconfig相关的工具和源代码主要位于内核源代码中的scripts / kconfig /下。从scripts / kconfig / Makefile可以看出，有几个主机程序，包括conf，mconf和nconf。除了conf之外，它们中的每一个都负责基于GUI的配置目标之一，因此，conf处理其中的大多数。
从逻辑上讲，Kconfig的基础结构有两部分：一部分实现一种新语言来定义配置项（参见内核源代码下的Kconfig文件），另一部分解析Kconfig语言并处理配置操作。
大多数配置目标具有大致相同的内部过程（如下所示）：
请注意，所有配置项都具有默认值。
第一步读取源根目录下的Kconfig文件，构建初始配置数据库; 然后它根据此优先级读取现有配置文件来更新初始数据库：
.config
/ lib / modules / $（shell，uname -r）/ .config /
etc / kernel-config
/ boot / config - $（shell，uname -r）
ARCH_DEFCONFIG
arch / $（ARCH）/ defconfig
如果您通过menuconfig进行基于GUI的配置或通过oldconfig进行基于命令行的配置，则会根据您的自定义更新数据库。最后，配置数据库被转储到.config文件中。
但.config文件不是内核构建的最终素材; 这就是syncconfig目标存在的原因。syncconfig曾经是一个名为silentoldconfig的配置目标，但它不会执行旧名称所说的内容，因此它已重命名。此外，因为它是供内部使用（不适用于用户），所以它已从列表中删除。
以下是syncconfig的作用：
syncconfig将.config作为输入并输出许多其他文件，这些文件分为三类：
-
auto.conf和tristate.conf
用于makefile文本处理。例如，您可以在组件的makefile中看到这样的语句：
obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o -
autoconf.h用于C语言源文件。
-
**include / config /**下的空头文件用于kbuild期间的配置依赖性跟踪，如下所述。
配置完成后，我们将知道哪些文件和代码片段未编译。
kbuild的
组件式构建（称为递归make）是GNU make管理大型项目的常用方法。Kbuild是递归make的一个很好的例子。通过将源文件划分为不同的模块/组件，每个组件都由其自己的makefile管理。当您开始构建时，顶级makefile以正确的顺序调用每个组件的makefile，构建组件，并将它们收集到最终的执行程序中。
Kbuild指的是不同类型的makefile：
- Makefile是源根目录中的顶级makefile。
- .config是内核配置文件。
- arch / $（ARCH）/ Makefile是arch makefile，它是top makefile的补充。
- **scripts / Makefile。***描述了所有kbuild makefile的通用规则。
- 最后，大约有500个kbuild makefile。
top makefile包含arch makefile，读取.config文件，下载到子目录，在scripts / Makefile。*中定义的例程的帮助下，在每个组件的makefile上调用make，构建每个中间对象，并将所有中间对象链接到vmlinux中。内核文档Documentation / kbuild / makefiles.txt描述了这些makefile的所有方面。
作为一个例子，让我们看看如何在x86-64上生成vmlinux：
（该插图基于Richard Y. Steven的博客。它已更新，并在作者允许的情况下使用。）
进入vmlinux的所有**.o文件首先进入他们自己的内置.a**，通过变量 KBUILD_VMLINUX_INIT，KBUILD_VMLINUX_MAIN，KBUILD_VMLINUX_LIBS指示，然后收集到vmlinux文件中。
在简化的makefile代码的帮助下，了解如何在Linux内核中实现递归make：
# In top Makefile vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) +$(call if_changed,link-vmlinux) # Variable assignments vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN) $(KBUILD_VMLINUX_LIBS) export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y) export KBUILD_VMLINUX_MAIN := $(core-y) $(libs-y2) $(drivers-y) $(net-y) $(virt-y) export KBUILD_VMLINUX_LIBS := $(libs-y1) export KBUILD_LDS := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds init-y := init/ drivers-y := drivers/ sound/ firmware/ net-y := net/ libs-y := lib/ core-y := usr/ virt-y := virt/ # Transform to corresponding built-in.a init-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(init-y)) core-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(core-y)) drivers-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(drivers-y)) net-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(net-y)) libs-y1 := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y)) libs-y2 := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(filter-out %.a, $(libs-y))) virt-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(virt-y)) # Setup the dependency. vmlinux-deps are all intermediate objects, vmlinux-dirs # are phony targets, so every time comes to this rule, the recipe of vmlinux-dirs # will be executed. Refer "4.6 Phony Targets" of `info make` $(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ; # Variable vmlinux-dirs is the directory part of each built-in.a 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))) # The entry of recursive make $(vmlinux-dirs): $(Q)$(MAKE) $(build)=$@ need-builtin=1
递归制作配方已扩展，例如：
make -f scripts/Makefile.build obj=init need-builtin=1
这意味着make将进入scripts / Makefile.build继续构建每个内置的工作.a。在scripts / link-vmlinux.sh的帮助下，vmlinux文件最终位于源根目录下。
了解vmlinux与bzImage
许多Linux内核开发人员可能不清楚vmlinux和bzImage之间的关系。例如，这是他们在x86-64中的关系：
源根vmlinux被剥离，压缩，放入piggy.S，然后与其他对等对象链接到arch / x86 / boot / compressed / vmlinux。同时，在arch / x86 / boot下生成一个名为setup.bin的文件。可能有一个可选的第三个文件具有重定位信息，具体取决于CONFIG_X86_NEED_RELOCS的配置 。
由内核提供的称为build的宿主程序将这两个（或三个）部分构建到最终的bzImage文件中。
依赖性跟踪
Kbuild跟踪三种依赖关系：
- 所有必备文件（* .c和* .h）
- 所有必备文件中使用的**CONFIG_**选项
- 用于编译目标的命令行依赖项
第一个很容易理解，但第二个和第三个呢？内核开发人员经常会看到如下代码：
#ifdef CONFIG_SMP __boot_cpu_id = cpu; #endif
当CONFIG_SMP更改时，应重新编译这段代码。编译源文件的命令行也很重要，因为不同的命令行可能会导致不同的目标文件。
当**.c文件通过#include**指令使用头文件时，您需要编写如下规则：
main.o: defs.h recipe...
管理大型项目时，需要大量的这些规则; 把它们全部写下来会很乏味和乏味。幸运的是，大多数现代C编译器都可以通过查看源文件中的**#include行来为您编写这些规则。对于GNU编译器集合（GCC），只需添加命令行参数：-MD depfile**
# In scripts/Makefile.lib c_flags = -Wp,-MD,$(depfile) $(NOSTDINC_FLAGS) $(LINUXINCLUDE) -include $(srctree)/include/linux/compiler_types.h $(__c_flags) $(modkern_cflags) $(basename_flags) $(modname_flags)
这将生成一个**.d**文件，内容如下：
init_task.o: init/init_task.c include/linux/kconfig.h include/generated/autoconf.h include/linux/init_task.h include/linux/rcupdate.h include/linux/types.h ...
然后主机程序fixdep通过将depfile和命令行作为输入来处理其他两个依赖项，然后以makefile语法输出**。 .cmd**文件，该文件记录命令行和所有先决条件（包括配置）为目标。它看起来像这样：
# The command line used to compile the target cmd_init/init_task.o := gcc -Wp,-MD,init/.init_task.o.d -nostdinc ... ... # The dependency files deps_init/init_task.o := $(wildcard include/config/posix/timers.h) $(wildcard include/config/arch/task/struct/on/stack.h) $(wildcard include/config/thread/info/in/task.h) ... include/uapi/linux/types.h arch/x86/include/uapi/asm/types.h include/uapi/asm-generic/types.h ...
在递归make期间将包含一个**。 .cmd**文件，提供所有依赖关系信息并帮助决定是否重建目标。
这背后的秘密是fixdep将解析depfile（.d文件），然后解析内部的所有依赖文件，搜索所有CONFIG_字符串的文本，将它们转换为相应的空头文件，并将它们添加到目标的先决条件。每次配置更改时，相应的空头文件也将更新，因此kbuild可以检测到该更改并重建依赖于它的目标。因为还记录了命令行，所以很容易比较最后和当前的编译参数。
展望未来
Kconfig / kbuild在很长一段时间内保持不变，直到新的维护者Masahiro Yamada于2017年初加入，现在kbuild再次正在积极开发。如果您很快就会看到与本文中的内容不同的内容，请不要感到惊讶。