探索Linux内核:Kconfig的秘密

深入了解Linux配置/构建系统是如何工作的。

自从Linux内核代码迁移到Git之后，Linux内核配置/构建系统(也称为Kconfig/kBuild)已经存在了很长时间。然而，作为支持基础设施，它很少受到关注；即使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Linux内核是如何编译的，本文将深入研究Kconfig/kBuild内部进程，解释.config文件和vmlinux/bzImage文件是如何生成的，并介绍一个用于依赖性跟踪的智能技巧。

Kconfig

构建内核的第一步总是配置。Kconfig帮助使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：

我认为menuconfig是这些目标中最受欢迎的。目标由不同的主机程序进行处理，这些程序由内核提供，并在内核构建过程中生成。一些目标有一个GUI(为了用户的方便)，而大多数没有。与kconfig相关的工具和源代码主要位于scripts/kconfig/在内核源代码中。我们可以从scripts/kconfig/makefile，有几个主机程序，包括CONF, mconf，和nconf。除了CONF，它们每个都负责基于GUI的配置目标之一，因此，CONF和他们中的大多数人打交道。

从逻辑上讲，Kconfig的基础结构有两个部分：一个实现了新语言要定义配置项(请参阅内核源代码下的Kconfig文件)，而其他配置项则解析Kconfig语言并处理配置操作。

大多数配置目标的内部流程大致相同(如下所示)：

注意，所有配置项都有一个默认值。

第一步读取源根下的Kconfig文件以构造初始配置数据库；然后根据此优先级读取现有配置文件来更新初始数据库：

• .config
• /lib/Module/$(shell，uname-r)/.config
• /etc/kernel-config
• /boot/config-$(shell，uname-r)
• ARCH_DEFCONFIG
• ARCH/$(ARCH)/Defconfig

如果您正在进行基于GUI的配置，则通过menuconfig或基于命令行的配置oldconfig，数据库将根据您的自定义进行更新。最后，将配置数据库转储到.config文件中。

但是.config文件不是内核构建的最终素材；这就是为什么syncconfig目标存在。syncconfig以前是一个名为silentoldconfig，但是它不像旧名字说的那样，所以它被重命名了。此外，由于它是内部使用(而不是为用户)，它被从列表中删除。

下面是一个例子syncconfig作用：

syncconfig接受.config作为输入并输出许多其他文件，这些文件分为三类：

auto.conf & tristate.conf用于生成文件文本处理。例如，您可能在组件的makefile中看到这样的语句：

obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o


autoconf.h在C语言源文件中使用。

空头文件include/config/用于在kbuild期间进行配置依赖项跟踪，下面将对此进行解释。

配置之后，我们将知道哪些文件和代码段没有编译。

KBuild

组件式建筑，称为递归制作，是GNU的一种常见方式。制作，使管理一个大型项目。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，每个组件都由自己的Makefile管理。当您开始构建时，顶级Makefile按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位于源根中的顶部makefile。
• .config是内核配置文件。
• ARCH/$(ARCH)/Makefile是拱形Makefile，这是对顶部makefile的补充。
• scripts/Makefile*描述所有kbuild makefile的通用规则。
• 最后，大约有500个Kbuildmakefiles.

顶部的makefile包含archmakefile，读取.config文件，进入子目录，调用制作，使中定义的例程的帮助下实现每个组件的makefile。scripts/Makefile*，构建每个中间对象，并将所有中间对象链接到vmlinux。核心文件Documentation/kbuild/makefiles.txt描述这些制作文件的所有方面。

例如，让我们看看在x86-64上如何生成vmlinux：

(插图是根据理查德·Y·史蒂文(Richard Y.Steven)的博客。经提交人许可后予以更新和使用。

所有.o进入vmlinux的文件首先进入它们自己的built-in.a，这是通过变量表示的。KBUILD_VMLINUX_INIT, KBUILD_VMLINUX_Main, KBUILD_VMLINUX_LIBS，然后收集到vmlinux文件中。

看看如何在Linux内核中实现递归make，并借助简化的Makefile代码：

# 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

递归的配方扩展，例如：

make -f scripts/Makefile.build obj=init need-builtin=1


这意味着make将进入scripts/Makefile.build继续建造每一个built-in.a。在.的帮助下scripts/link-vmlinux.sh，vmlinux文件最终位于源根下。

理解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，以下是它们在x86-64中的关系：

源根vmlinux被剥离、压缩、放入piggy.S，然后将其他对等对象链接到arch/x86/boot/compressed/vmlinux。同时，下面生成一个名为setup.bin的文件arch/x86/boot。可能有一个包含重定位信息的可选的第三个文件，具体取决于config_x86_RELOCS.

一个名为build由内核提供，将这两个(或三个)部分构建到最终的bzImage文件中。

依赖跟踪

KBuild跟踪三种依赖关系：

1. 所有的前提文件（*.c和*.h）
2. CONFIG_在所有先决条件文件中使用的选项
3. 用于编译目标的命令行依赖关系。

第一个很容易理解，但是第二个和第三个呢？内核开发人员经常看到这样的代码片段：

#ifdef CONFIG_SMP
__boot_cpu_id = cpu;
#endif

什么时候CONFIG_SMP更改后，这段代码应该重新编译。编译源文件的命令行也很重要，因为不同的命令行可能导致不同的对象文件。

当.C文件通过#include指令，您需要编写这样的规则：

main.o: defs.h
recipe...

在管理一个大型项目时，您需要很多这样的规则；所有这些规则都会乏味。幸运的是，大多数现代C编译器可以通过查看#include源文件中的行。对于GNU编译器集合(GCC)，只需添加一个命令行参数：-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文件的内容如下：

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通过获取其他两个依赖项来处理其他两个依赖项。depfile命令行作为输入，然后以makefile语法输出.cmd文件，它记录目标的命令行和所有先决条件(包括配置)。看起来是这样的：

# 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 \
...

在递归生成过程中将包含一个.cmd文件，提供所有依赖项信息，并帮助决定是否重新构建目标。

这背后的秘密是，Fixdep将解析depfile(.d文件)，然后解析其中的所有依赖文件，搜索所有config_string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中。每次配置更改时，相应的空头文件也将被更新，因此kbuild可以检测到该更改并重新构建依赖于它的目标。因为还记录了命令行，所以很容易比较最后的编译参数和当前的编译参数。

展望未来

Kconfig/kbuild很长一段时间没有变化，直到新的维护者山田正一郎(Masahiro Yamada)在2017年初加入，现在KBuild又在积极发展。如果你很快看到了与本文不同的东西，不要感到惊讶。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对我们的支持。如果你想了解更多相关内容请查看下面相关链接