探索Linux内核：Kconfig/kbuild的秘密-linux内核深度解析

深入理解 Linux 配置/构建系统是如何工作的。

自从 Linux 内核代码迁移到 Git 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思考过它。

为了探索如何编译 Linux 内核，本文将深入介绍 Kconfig/kbuild 内部的过程，解释如何生成 .config 文件和 vmlinux/bzImage 文件，并介绍一个巧妙的依赖性跟踪技巧。

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：

配置目标	解释
`config`	利用命令行程序更新当前配置
`nconfig`	利用基于 ncurses 菜单的程序更新当前配置
`menuconfig`	利用基于菜单的程序更新当前配置
`xconfig`	利用基于 Qt 的前端程序更新当前配置
`gconfig`	利用基于 GTK+ 的前端程序更新当前配置
`oldconfig`	基于提供的 `.config` 更新当前配置
`localmodconfig`	更新当前配置，禁用没有载入的模块
`localyesconfig`	更新当前配置，转换本地模块到核心
`defconfig`	带有来自架构提供的 `defconcig` 默认值的新配置
`savedefconfig`	保存当前配置为 `./defconfig`（最小配置）
`allnoconfig`	所有选项回答为 `no` 的新配置
`allyesconfig`	所有选项回答为 `yes` 的新配置
`allmodconfig`	尽可能选择所有模块的新配置
`alldefconfig`	所有符号（选项）设置为默认值的新配置
`randconfig`	所有选项随机选择的新配置
`listnewconfig`	列出新选项
`olddefconfig`	同 `oldconfig` 一样，但设置新符号（选项）为其默认值而无须提问
`kvmconfig`	启用支持 KVM 访客内核模块的附加选项
`xenconfig`	启用支持 xen 的 dom0 和访客内核模块的附加选项
`tinyconfig`	配置尽可能小的内核

我认为 menuconfig 是这些目标中最受欢迎的。这些目标由不同的主程序host program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 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 中可以看到，这里有几个主程序，包括 conf、mconf 和 nconf。除了 conf 之外，每个都负责一个基于 GUI 的配置目标，因此，conf 处理大多数目标。

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。

第一步读取源代码根目录下的 Kconfig 文件，构建初始配置数据库；然后它根据如下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

如果你通过 menuconfig 进行基于 GUI 的配置或通过 oldconfig 进行基于命令行的配置，则根据你的自定义更新数据库。最后，该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，但它没有做到其旧名称所说的工作，所以它被重命名。此外，因为它是供内部使用的（不适用于用户），所以它已从上述列表中删除。

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 ＆ tristate.conf 用于 makefile 文本处理。例如，你可以在组件的 makefile 中看到这样的语句：obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o。
autoconf.h 用于 C 语言的源文件。
include/config/ 下空的头文件用于 kbuild 期间的配置依赖性跟踪。下面会解释。

配置完成后，我们将知道哪些文件和代码片段未编译。

kbuild

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。当你开始构建时，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 指向到不同类型的 makefile：

Makefile 位于源代码根目录的顶级 makefile。
.config 是内核配置文件。
arch/$(ARCH)/Makefile 是架构的 makefile，它用于补充顶级 makefile。
scripts/Makefile.* 描述所有的 kbuild makefile 的通用规则。
最后，大约有 500 个 kbuild makefile。

顶级 makefile 会将架构 makefile 包含进去，读取 .config 文件，下到子目录，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，并将所有的中间对象链接为 vmlinux。内核文档 Documentation/kbuild/makefiles.txt 描述了这些 makefile 的方方面面。

作为一个例子，让我们看看如何在 x86-64 上生成 vmlinux：

vmlinux overview

（此插图基于 Richard Y. Steven 的博客。有过更新，并在作者允许的情况下使用。）

进入 vmlinux 的所有 .o 文件首先进入它们自己的 built-in.a，它通过变量KBUILD_VMLINUX_INIT、KBUILD_VMLINUX_MAIN、KBUILD_VMLINUX_LIBS 表示，然后被收集到 vmlinux 文件中。

在下面这个简化的 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 make 的配方recipe被扩展开是这样的：

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

这意味着 make 将进入 scripts/Makefile.build 以继续构建每个 built-in.a。在scripts/link-vmlinux.sh 的帮助下，vmlinux 文件最终位于源根目录下。

vmlinux 与 bzImage 对比

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：

源代码根目录下的 vmlinux 被剥离、压缩后，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，它带有重定位信息，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
用于编译该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 改变时，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，你需要编写如下规则：

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无聊。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 行来为你编写这些规则。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，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 \
    ...

然后主程序 fixdep 通过将 depfile 文件和命令行作为输入来处理其他两个依赖项，然后以 makefile 格式输出一个 .<target>.cmd 文件，它记录命令行和目标的所有先决条件（包括配置）。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 中，.<target>.cmd 文件将被包含，以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），然后解析里面的所有依赖文件，搜索所有 CONFIG_ 字符串的文本，将它们转换为相应的空的头文件，并将它们添加到目标的先决条件。每次配置更改时，相应的空的头文件也将更新，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 在很长一段时间内没有什么变化，直到新的维护者 Masahiro Yamada 于 2017 年初加入，现在 kbuild 正在再次积极开发中。如果你不久后看到与本文中的内容不同的内容，请不要感到惊讶。