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如何构建Linux 内核
================================================================================
介绍
--------------------------------------------------------------------------------
我不会告诉你怎么在自己的电脑上去构建、安装一个定制化的Linux 内核，这样的[资料](https://encrypted.google.com/search?q=building+linux+kernel#q=building+linux+kernel+from+source+code) 太多了，它们会对你有帮助。本文会告诉你当你在内核源码路径里敲下`make` 时会发生什么。当我刚刚开始学习内核代码时，[Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile) 是我打开的第一个文件，这个文件看起来真令人害怕 :)。那时候这个[Makefile](https://en.wikipedia.org/wiki/Make_%28software%29) 还只包含了`1591` 行代码，当我开始写本文是，这个[Makefile](https://github.com/torvalds/linux/commit/52721d9d3334c1cb1f76219a161084094ec634dc) 已经是第三个候选版本了。
这个makefile 是Linux 内核代码的根makefile ，内核构建就始于此处。是的，它的内容很多，但是如果你已经读过内核源代码，你就会发现每个包含代码的目录都有一个自己的makefile。当然了，我们不会去描述每个代码文件是怎么编译链接的。所以我们将只会挑选一些通用的例子来说明问题，而你不会在这里找到构建内核的文档、如何整洁内核代码、[tags](https://en.wikipedia.org/wiki/Ctags) 的生成和[交叉编译](https://en.wikipedia.org/wiki/Cross_compiler) 相关的说明，等等。我们将从`make` 开始，使用标准的内核配置文件，到生成了内核镜像[bzImage](https://en.wikipedia.org/wiki/Vmlinux#bzImage) 结束。
如果你已经很了解[make](https://en.wikipedia.org/wiki/Make_%28software%29) 工具那是最好，但是我也会描述本文出现的相关代码。
让我们开始吧
编译内核前的准备
---------------------------------------------------------------------------------
在开始编译前要进行很多准备工作。最主要的就是找到并配置好配置文件，`make` 命令要使用到的参数都需要从这些配置文件获取。现在就让我们深入内核的根`makefile` 吧
内核的根`Makefile` 负责构建两个主要的文件：[vmlinux](https://en.wikipedia.org/wiki/Vmlinux) （内核镜像可执行文件）和模块文件。内核的 [Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile) 从此处开始：
```Makefile
VERSION = 4
PATCHLEVEL = 2
SUBLEVEL = 0
EXTRAVERSION = -rc3
NAME = Hurr durr I'ma sheep
```
这些变量决定了当前内核的版本，并且被使用在很多不同的地方，比如`KERNELVERSION` ：
```Makefile
KERNELVERSION = $(VERSION)$(if $(PATCHLEVEL),.$(PATCHLEVEL)$(if $(SUBLEVEL),.$(SUBLEVEL)))$(EXTRAVERSION)
```
接下来我们会看到很多`ifeq` 条件判断语句，它们负责检查传给`make` 的参数。内核的`Makefile` 提供了一个特殊的编译选项`make help` ，这个选项可以生成所有的可用目标和一些能传给`make` 的有效的命令行参数。举个例子，`make V=1` 会在构建过程中输出详细的编译信息，第一个`ifeq` 就是检查传递给make的`V=n` 选项。
```Makefile
ifeq ("$(origin V)", "command line")
KBUILD_VERBOSE = $(V)
endif
ifndef KBUILD_VERBOSE
KBUILD_VERBOSE = 0
endif
ifeq ($(KBUILD_VERBOSE),1)
quiet =
Q =
else
quiet=quiet_
Q = @
endif
export quiet Q KBUILD_VERBOSE
```
如果`V=n` 这个选项传给了`make` ，系统就会给变量`KBUILD_VERBOSE` 选项附上`V` 的值，否则的话`KBUILD_VERBOSE` 就会为`0`。然后系统会检查`KBUILD_VERBOSE` 的值，以此来决定`quiet` 和`Q` 的值。符号`@` 控制命令的输出，如果它被放在一个命令之前，这条命令的执行将会是`CC scripts/mod/empty.o`，而不是`Compiling .... scripts/mod/empty.o`（注：CC 在makefile 中一般都是编译命令）。最后系统仅仅导出所有的变量。下一个`ifeq` 语句检查的是传递给`make` 的选项`O=/dir`，这个选项允许在指定的目录`dir` 输出所有的结果文件：
```Makefile
ifeq ($(KBUILD_SRC),)
ifeq ("$(origin O)", "command line")
KBUILD_OUTPUT := $(O)
endif
ifneq ($(KBUILD_OUTPUT),)
saved-output := $(KBUILD_OUTPUT)
KBUILD_OUTPUT := $(shell mkdir -p $(KBUILD_OUTPUT) && cd $(KBUILD_OUTPUT) \
&& /bin/pwd)
$(if $(KBUILD_OUTPUT),, \
$(error failed to create output directory "$(saved-output)"))
sub-make: FORCE
$(Q)$(MAKE) -C $(KBUILD_OUTPUT) KBUILD_SRC=$(CURDIR) \
-f $(CURDIR)/Makefile $(filter-out _all sub-make,$(MAKECMDGOALS))
skip-makefile := 1
endif # ifneq ($(KBUILD_OUTPUT),)
endif # ifeq ($(KBUILD_SRC),)
```
系统会检查变量`KBUILD_SRC`，如果他是空的（第一次执行makefile 时总是空的），并且变量`KBUILD_OUTPUT` 被设成了选项`O` 的值（如果这个选项被传进来了），那么这个值就会用来代表内核源码的顶层目录。下一步会检查变量`KBUILD_OUTPUT` ，如果之前设置过这个变量，那么接下来会做以下几件事：
* 将变量`KBUILD_OUTPUT` 的值保存到临时变量`saved-output`；
* 尝试创建输出目录；
* 检查创建的输出目录，如果失败了就打印错误；
* 如果成功创建了输出目录，那么就在新目录重新执行`make` 命令（参见选项`-C`）。
下一个`ifeq` 语句会检查传递给make 的选项`C` 和`M`：
```Makefile
ifeq ("$(origin C)", "command line")
KBUILD_CHECKSRC = $(C)
endif
ifndef KBUILD_CHECKSRC
KBUILD_CHECKSRC = 0
endif
ifeq ("$(origin M)", "command line")
KBUILD_EXTMOD := $(M)
endif
```
第一个选项`C` 会告诉`makefile` 需要使用环境变量`$CHECK` 提供的工具来检查全部`c` 代码，默认情况下会使用[sparse](https://en.wikipedia.org/wiki/Sparse)。第二个选项`M` 会用来编译外部模块（本文不做讨论）。因为设置了这两个变量，系统还会检查变量`KBUILD_SRC`，如果`KBUILD_SRC` 没有被设置，系统会设置变量`srctree` 为`.`：
```Makefile
ifeq ($(KBUILD_SRC),)
srctree := .
endif
objtree := .
src := $(srctree)
obj := $(objtree)
export srctree objtree VPATH
```
这将会告诉`Makefile` 内核的源码树就在执行make 命令的目录。然后要设置`objtree` 和其他变量为执行make 命令的目录，并且将这些变量导出。接着就是要获取`SUBARCH` 的值，这个变量代表了当前的系统架构（注：一般都指CPU 架构）：
```Makefile
SUBARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/x86/ -e s/x86_64/x86/ \
-e s/sun4u/sparc64/ \
-e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/ \
-e s/s390x/s390/ -e s/parisc64/parisc/ \
-e s/ppc.*/powerpc/ -e s/mips.*/mips/ \
-e s/sh[234].*/sh/ -e s/aarch64.*/arm64/ )
```
如你所见，系统执行[uname](https://en.wikipedia.org/wiki/Uname) 得到机器、操作系统和架构的信息。因为我们得到的是`uname` 的输出，所以我们需要做一些处理在赋给变量`SUBARCH` 。获得`SUBARCH` 之后就要设置`SRCARCH` 和`hfr-arch`，`SRCARCH`提供了硬件架构相关代码的目录，`hfr-arch` 提供了相关头文件的目录：
```Makefile
ifeq ($(ARCH),i386)
SRCARCH := x86
endif
ifeq ($(ARCH),x86_64)
SRCARCH := x86
endif
hdr-arch := $(SRCARCH)
```
注意：`ARCH` 是`SUBARCH` 的别名。如果没有设置过代表内核配置文件路径的变量`KCONFIG_CONFIG`，下一步系统会设置它，默认情况下就是`.config` ：
```Makefile
KCONFIG_CONFIG ?= .config
export KCONFIG_CONFIG
```
以及编译内核过程中要用到的[shell](https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_%28computing%29)
```Makefile
CONFIG_SHELL := $(shell if [ -x "$$BASH" ]; then echo $$BASH; \
else if [ -x /bin/bash ]; then echo /bin/bash; \
else echo sh; fi ; fi)
```
接下来就要设置一组和编译内核的编译器相关的变量。我们会设置主机的`C` 和`C++` 的编译器及相关配置项：
```Makefile
HOSTCC = gcc
HOSTCXX = g++
HOSTCFLAGS = -Wall -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89
HOSTCXXFLAGS = -O2
```
下一步会去适配代表编译器的变量`CC`,那为什么还要`HOST*` 这些选项呢？这是因为`CC` 是编译内核过程中要使用的目标架构的编译器，但是`HOSTCC` 是要被用来编译一组`host` 程序的（下面我们就会看到）。然后我们就看看变量`KBUILD_MODULES` 和`KBUILD_BUILTIN` 的定义，这两个变量决定了我们要编译什么东西（内核、模块还是其他）：
```Makefile
KBUILD_MODULES :=
KBUILD_BUILTIN := 1
ifeq ($(MAKECMDGOALS),modules)
KBUILD_BUILTIN := $(if $(CONFIG_MODVERSIONS),1)
endif
```
在这我们可以看到这些变量的定义，并且，如果们仅仅传递了`modules` 给`make`,变量`KBUILD_BUILTIN` 会依赖于内核配置选项`CONFIG_MODVERSIONS`。下一步操作是引入下面的文件：
```Makefile
include scripts/Kbuild.include
```
文件`kbuild` ,[Kbuild](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/kbuild/kbuild.txt) 或者又叫做 `Kernel Build System`是一个用来管理构建内核和模块的特殊框架。`kbuild` 文件的语法与makefile 一样。文件[scripts/Kbuild.include](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/Kbuild.include) 为`kbuild` 系统同提供了一些原生的定义。因为我们包含了这个`kbuild` 文件，我们可以看到和不同工具关联的这些变量的定义，这些工具会在内核和模块编译过程中被使用（比如链接器、编译器、二进制工具包[binutils](http://www.gnu.org/software/binutils/)，等等）：
```Makefile
AS = $(CROSS_COMPILE)as
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
CPP = $(CC) -E
AR = $(CROSS_COMPILE)ar
NM = $(CROSS_COMPILE)nm
STRIP = $(CROSS_COMPILE)strip
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
AWK = awk
...
...
...
```
在这些定义好的变量后面，我们又定义了两个变量：`USERINCLUDE` 和`LINUXINCLUDE`。他们包含了头文件的路径（第一个是给用户用的，第二个是给内核用的）：
```Makefile
USERINCLUDE := \
-I$(srctree)/arch/$(hdr-arch)/include/uapi \
-Iarch/$(hdr-arch)/include/generated/uapi \
-I$(srctree)/include/uapi \
-Iinclude/generated/uapi \
-include $(srctree)/include/linux/kconfig.h
LINUXINCLUDE := \
-I$(srctree)/arch/$(hdr-arch)/include \
...
```
以及标准的C 编译器标志：
```Makefile
KBUILD_CFLAGS := -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs \
-fno-strict-aliasing -fno-common \
-Werror-implicit-function-declaration \
-Wno-format-security \
-std=gnu89
```
这并不是最终确定的编译器标志，他们还可以在其他makefile 里面更新（比如`arch/` 里面的kbuild）。变量定义完之后，全部会被导出供其他makefile 使用。下面的两个变量`RCS_FIND_IGNORE` 和 `RCS_TAR_IGNORE` 包含了被版本控制系统忽略的文件：
```Makefile
export RCS_FIND_IGNORE := \( -name SCCS -o -name BitKeeper -o -name .svn -o \
-name CVS -o -name .pc -o -name .hg -o -name .git \) \
-prune -o
export RCS_TAR_IGNORE := --exclude SCCS --exclude BitKeeper --exclude .svn \
--exclude CVS --exclude .pc --exclude .hg --exclude .git
```
这就是全部了，我们已经完成了所有的准备工作，下一个点就是如果构建`vmlinux`.
直面构建内核
--------------------------------------------------------------------------------
现在我们已经完成了所有的准备工作，根makefile（注：内核根目录下的makefile）的下一步工作就是和编译内核相关的了。在我们执行`make` 命令之前，我们不会在终端看到任何东西。但是现在编译的第一步开始了，这里我们需要从内核根makefile的的[598](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile#L598) 行开始，这里可以看到目标`vmlinux`：
```Makefile
all: vmlinux
include arch/$(SRCARCH)/Makefile
```
不要操心我们略过的从`export RCS_FIND_IGNORE.....` 到`all: vmlinux.....` 这一部分makefile 代码，他们只是负责根据各种配置文件生成不同目标内核的，因为之前我就说了这一部分我们只讨论构建内核的通用途径。
目标`all:` 是在命令行如果不指定具体目标时默认使用的目标。你可以看到这里包含了架构相关的makefile（在这里就指的是[arch/x86/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile)）。从这一时刻起，我们会从这个makefile 继续进行下去。如我们所见，目标`all` 依赖于根makefile 后面声明的`vmlinux`：
```Makefile
vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) FORCE
```
`vmlinux` 是linux 内核的静态链接可执行文件格式。脚本[scripts/link-vmlinux.sh](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/link-vmlinux.sh) 把不同的编译好的子模块链接到一起形成了vmlinux。第二个目标是`vmlinux-deps`，它的定义如下：
```Makefile
vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
```
它是由内核代码下的每个顶级目录的`built-in.o` 组成的。之后我们还会检查内核所有的目录，`kbuild` 会编译各个目录下所有的对应`$obj-y` 的源文件。接着调用`$(LD) -r` 把这些文件合并到一个`build-in.o` 文件里。此时我们还没有`vmloinux-deps`, 所以目标`vmlinux` 现在还不会被构建。对我而言`vmlinux-deps` 包含下面的文件
```
arch/x86/kernel/vmlinux.lds arch/x86/kernel/head_64.o
arch/x86/kernel/head64.o arch/x86/kernel/head.o
init/built-in.o usr/built-in.o
arch/x86/built-in.o kernel/built-in.o
mm/built-in.o fs/built-in.o
ipc/built-in.o security/built-in.o
crypto/built-in.o block/built-in.o
lib/lib.a arch/x86/lib/lib.a
lib/built-in.o arch/x86/lib/built-in.o
drivers/built-in.o sound/built-in.o
firmware/built-in.o arch/x86/pci/built-in.o
arch/x86/power/built-in.o arch/x86/video/built-in.o
net/built-in.o
```
下一个可以被执行的目标如下：
```Makefile
$(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
$(vmlinux-dirs): prepare scripts
$(Q)$(MAKE) $(build)=$@
```
就像我们看到的，`vmlinux-dir` 依赖于两部分：`prepare` 和`scripts`。第一个`prepare` 定义在内核的根`makefile` ，准备工作分成三个阶段：
```Makefile
prepare: prepare0
prepare0: archprepare FORCE
$(Q)$(MAKE) $(build)=.
archprepare: archheaders archscripts prepare1 scripts_basic
prepare1: prepare2 $(version_h) include/generated/utsrelease.h \
include/config/auto.conf
$(cmd_crmodverdir)
prepare2: prepare3 outputmakefile asm-generic
```
第一个`prepare0` 展开到`archprepare` ，后者又展开到`archheader` 和`archscripts`，这两个变量定义在`x86_64` 相关的[Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile)。让我们看看这个文件。`x86_64` 特定的makefile从变量定义开始，这些变量都是和特定架构的配置文件 ([defconfig](https://github.com/torvalds/linux/tree/master/arch/x86/configs)，等等)有关联。变量定义之后，这个makefile 定义了编译[16-bit](https://en.wikipedia.org/wiki/Real_mode)代码的编译选项，根据变量`BITS` 的值，如果是`32`， 汇编代码、链接器、以及其它很多东西（全部的定义都可以在[arch/x86/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile)找到）对应的参数就是`i386`,而`64`就对应的是`x86_84`。生成的系统调用列表（syscall table）的makefile 里第一个目标就是`archheaders` ：
```Makefile
archheaders:
$(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/entry/syscalls all
```
这个makefile 里第二个目标就是`archscripts`：
```Makefile
archscripts: scripts_basic
$(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools relocs
```
我们可以看到`archscripts` 是依赖于根[Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile)里的`scripts_basic` 。首先我们可以看出`scripts_basic` 是按照[scripts/basic](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/basic/Makefile) 的mekefile 执行make 的：
```Maklefile
scripts_basic:
$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic
```
`scripts/basic/Makefile`包含了编译两个主机程序`fixdep` 和`bin2` 的目标：
```Makefile
hostprogs-y := fixdep
hostprogs-$(CONFIG_BUILD_BIN2C) += bin2c
always := $(hostprogs-y)
$(addprefix $(obj)/,$(filter-out fixdep,$(always))): $(obj)/fixdep
```
第一个工具是`fixdep`：用来优化[gcc](https://gcc.gnu.org/) 生成的依赖列表，然后在重新编译源文件的时候告诉make。第二个工具是`bin2c`,他依赖于内核配置选项`CONFIG_BUILD_BIN2C`,并且它是一个用来将标准输入接口（注：即stdin）收到的二进制流通过标准输出接口（即：stdout）转换成C 头文件的非常小的C 程序。你可以注意到这里有些奇怪的标志，如`hostprogs-y`等。这些标志使用在所有的`kbuild` 文件，更多的信息你可以从[documentation](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/kbuild/makefiles.txt) 获得。在我们的用例`hostprogs-y` 中，他告诉`kbuild` 这里有个名为`fixed` 的程序，这个程序会通过和`Makefile` 相同目录的`fixdep.c` 编译而来。执行make 之后，终端的第一个输出就是`kbuild` 的结果：
```
$ make
HOSTCC scripts/basic/fixdep
```
当目标`script_basic` 被执行，目标`archscripts` 就会make [arch/x86/tools](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/tools/Makefile) 下的makefile 和目标`relocs`:
```Makefile
$(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools relocs
```
代码`relocs_32.c` 和`relocs_64.c` 包含了[重定位](https://en.wikipedia.org/wiki/Relocation_%28computing%29) 的信息，将会被编译，者可以在`make` 的输出中看到：
```Makefile
HOSTCC arch/x86/tools/relocs_32.o
HOSTCC arch/x86/tools/relocs_64.o
HOSTCC arch/x86/tools/relocs_common.o
HOSTLD arch/x86/tools/relocs
```
在编译完`relocs.c` 之后会检查`version.h`:
```Makefile
$(version_h): $(srctree)/Makefile FORCE
$(call filechk,version.h)
$(Q)rm -f $(old_version_h)
```
我们可以在输出看到它：
```
CHK include/config/kernel.release
```
以及在内核根Makefiel 使用`arch/x86/include/generated/asm`的目标`asm-generic` 来构建`generic` 汇编头文件。在目标`asm-generic` 之后，`archprepare` 就会被完成，所以目标`prepare0` 会接着被执行，如我上面所写：
```Makefile
prepare0: archprepare FORCE
$(Q)$(MAKE) $(build)=.
```
注意`build`，它是定义在文件[scripts/Kbuild.include](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/Kbuild.include)，内容是这样的：
```Makefile
build := -f $(srctree)/scripts/Makefile.build obj
```
或者在我们的例子中，他就是当前源码目录路径——`.`：
```Makefile
$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/scripts/Makefile.build obj=.
```
参数`obj` 会告诉脚本[scripts/Makefile.build](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/Makefile.build) 那些目录包含`kbuild` 文件，脚本以此来寻找各个`kbuild` 文件：
```Makefile
include $(kbuild-file)
```
然后根据这个构建目标。我们这里`.` 包含了[Kbuild](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Kbuild)，就用这个文件来生成`kernel/bounds.s` 和`arch/x86/kernel/asm-offsets.s`。这样目标`prepare` 就完成了它的工作。`vmlinux-dirs` 也依赖于第二个目标——`scripts` ，`scripts`会编译接下来的几个程序：`filealias`，`mk_elfconfig`,`modpost`等等。`scripts/host-programs` 编译完之后，我们的目标`vmlinux-dirs` 就可以开始编译了。第一步，我们先来理解一下`vmlinux-dirs` 都包含了那些东西。在我们的例子中它包含了接下来要使用的内核目录的路径：
```
init usr arch/x86 kernel mm fs ipc security crypto block
drivers sound firmware arch/x86/pci arch/x86/power
arch/x86/video net lib arch/x86/lib
```
我们可以在内核的根[Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile) 里找到`vmlinux-dirs` 的定义：
```Makefile
vmlinux-dirs := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(init-y) $(init-m) \
$(core-y) $(core-m) $(drivers-y) $(drivers-m) \
$(net-y) $(net-m) $(libs-y) $(libs-m)))
init-y := init/
drivers-y := drivers/ sound/ firmware/
net-y := net/
libs-y := lib/
...
...
...
```
这里我们借助函数`patsubst` 和`filter`去掉了每个目录路径里的符号`/`，并且把结果放到`vmlinux-dirs` 里。所以我们就有了`vmlinux-dirs` 里的目录的列表，以及下面的代码：
```Makefile
$(vmlinux-dirs): prepare scripts
$(Q)$(MAKE) $(build)=$@
```
符号`$@` 在这里代表了`vmlinux-dirs`，这就表明程序会递归遍历从`vmlinux-dirs` 以及它内部的全部目录（依赖于配置），并且在对应的目录下执行`make` 命令。我们可以在输出看到结果：
```
CC init/main.o
CHK include/generated/compile.h
CC init/version.o
CC init/do_mounts.o
...
CC arch/x86/crypto/glue_helper.o
AS arch/x86/crypto/aes-x86_64-asm_64.o
CC arch/x86/crypto/aes_glue.o
...
AS arch/x86/entry/entry_64.o
AS arch/x86/entry/thunk_64.o
CC arch/x86/entry/syscall_64.o
```
每个目录下的源代码将会被编译并且链接到`built-io.o` 里：
```
$ find . -name built-in.o
./arch/x86/crypto/built-in.o
./arch/x86/crypto/sha-mb/built-in.o
./arch/x86/net/built-in.o
./init/built-in.o
./usr/built-in.o
...
...
```
好了，所有的`built-in.o` 都构建完了，现在我们回到目标`vmlinux` 上。你应该还记得，目标`vmlinux` 是在内核的根makefile 里。在链接`vmlinux` 之前，系统会构建[samples](https://github.com/torvalds/linux/tree/master/samples), [Documentation](https://github.com/torvalds/linux/tree/master/Documentation)等等，但是如上文所述，我不会在本文描述这些。
```Makefile
vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) FORCE
...
...
+$(call if_changed,link-vmlinux)
```
你可以看到，`vmlinux` 的调用脚本[scripts/link-vmlinux.sh](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/link-vmlinux.sh) 的主要目的是把所有的`built-in.o` 链接成一个静态可执行文件、生成[System.map](https://en.wikipedia.org/wiki/System.map)。 最后我们来看看下面的输出：
```
LINK vmlinux
LD vmlinux.o
MODPOST vmlinux.o
GEN .version
CHK include/generated/compile.h
UPD include/generated/compile.h
CC init/version.o
LD init/built-in.o
KSYM .tmp_kallsyms1.o
KSYM .tmp_kallsyms2.o
LD vmlinux
SORTEX vmlinux
SYSMAP System.map
```
以及内核源码树根目录下的`vmlinux` 和`System.map`
```
$ ls vmlinux System.map
System.map vmlinux
```
这就是全部了，`vmlinux` 构建好了，下一步就是创建[bzImage](https://en.wikipedia.org/wiki/Vmlinux#bzImage).
制作bzImage
--------------------------------------------------------------------------------
`bzImage` 就是压缩了的linux 内核镜像。我们可以在构建了`vmlinux` 之后通过执行`make bzImage` 获得`bzImage`。同时我们可以仅仅执行`make` 而不带任何参数也可以生成`bzImage` ，因为它是在[arch/x86/kernel/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile) 里预定义的、默认生成的镜像：
```Makefile
all: bzImage
```
让我们看看这个目标，他能帮助我们理解这个镜像是怎么构建的。我已经说过了`bzImage` 师被定义在[arch/x86/kernel/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile)，定义如下：
```Makefile
bzImage: vmlinux
$(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE)
$(Q)mkdir -p $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot
$(Q)ln -fsn ../../x86/boot/bzImage $(objtree)/arch/$(UTS_MACHINE)/boot/$@
```
在这里我们可以看到第一次为boot 目录执行`make`，在我们的例子里是这样的：
```Makefile
boot := arch/x86/boot
```
现在的主要目标是编译目录`arch/x86/boot` 和`arch/x86/boot/compressed` 的代码，构建`setup.bin` 和`vmlinux.bin`，然后用这两个文件生成`bzImage`。第一个目标是定义在[arch/x86/boot/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/Makefile) 的`$(obj)/setup.elf`:
```Makefile
$(obj)/setup.elf: $(src)/setup.ld $(SETUP_OBJS) FORCE
$(call if_changed,ld)
```
我们已经在目录`arch/x86/boot`有了链接脚本`setup.ld`，并且将变量`SETUP_OBJS` 扩展到`boot` 目录下的全部源代码。我们可以看看第一个输出：
```Makefile
AS arch/x86/boot/bioscall.o
CC arch/x86/boot/cmdline.o
AS arch/x86/boot/copy.o
HOSTCC arch/x86/boot/mkcpustr
CPUSTR arch/x86/boot/cpustr.h
CC arch/x86/boot/cpu.o
CC arch/x86/boot/cpuflags.o
CC arch/x86/boot/cpucheck.o
CC arch/x86/boot/early_serial_console.o
CC arch/x86/boot/edd.o
```
下一个源码文件是[arch/x86/boot/header.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/header.S)，但是我们不能现在就编译它，因为这个目标依赖于下面两个头文件：
```Makefile
$(obj)/header.o: $(obj)/voffset.h $(obj)/zoffset.h
```
第一个头文件`voffset.h` 是使用`sed` 脚本生成的，包含用`nm` 工具从`vmlinux` 获取的两个地址：
```C
#define VO__end 0xffffffff82ab0000
#define VO__text 0xffffffff81000000
```
这两个地址是内核的起始和结束地址。第二个头文件`zoffset.h` 在[arch/x86/boot/compressed/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/Makefile) 可以看出是依赖于目标`vmlinux`的：
```Makefile
$(obj)/zoffset.h: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
$(call if_changed,zoffset)
```
目标`$(obj)/compressed/vmlinux` 依赖于变量`vmlinux-objs-y` —— 说明需要编译目录[arch/x86/boot/compressed](https://github.com/torvalds/linux/tree/master/arch/x86/boot/compressed) 下的源代码，然后生成`vmlinux.bin`, `vmlinux.bin.bz2`, 和编译工具 - `mkpiggy`。我们可以在下面的输出看出来：
```Makefile
LDS arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds
AS arch/x86/boot/compressed/head_64.o
CC arch/x86/boot/compressed/misc.o
CC arch/x86/boot/compressed/string.o
CC arch/x86/boot/compressed/cmdline.o
OBJCOPY arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin
BZIP2 arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin.bz2
HOSTCC arch/x86/boot/compressed/mkpiggy
```
`vmlinux.bin` 是去掉了调试信息和注释的`vmlinux` 二进制文件，加上了占用了`u32` （注：即4-Byte）的长度信息的`vmlinux.bin.all` 压缩后就是`vmlinux.bin.bz2`。其中`vmlinux.bin.all` 包含了`vmlinux.bin` 和`vmlinux.relocs`（注：vmlinux 的重定位信息），其中`vmlinux.relocs` 是`vmlinux` 经过程序`relocs` 处理之后的`vmlinux` 镜像（见上文所述）。我们现在已经获取到了这些文件，汇编文件`piggy.S` 将会被`mkpiggy` 生成、然后编译：
```Makefile
MKPIGGY arch/x86/boot/compressed/piggy.S
AS arch/x86/boot/compressed/piggy.o
```
这个汇编文件会包含经过计算得来的、压缩内核的偏移信息。处理完这个汇编文件，我们就可以看到`zoffset` 生成了：
```Makefile
ZOFFSET arch/x86/boot/zoffset.h
```
现在`zoffset.h` 和`voffset.h` 已经生成了，[arch/x86/boot](https://github.com/torvalds/linux/tree/master/arch/x86/boot/) 里的源文件可以继续编译：
```Makefile
AS arch/x86/boot/header.o
CC arch/x86/boot/main.o
CC arch/x86/boot/mca.o
CC arch/x86/boot/memory.o
CC arch/x86/boot/pm.o
AS arch/x86/boot/pmjump.o
CC arch/x86/boot/printf.o
CC arch/x86/boot/regs.o
CC arch/x86/boot/string.o
CC arch/x86/boot/tty.o
CC arch/x86/boot/video.o
CC arch/x86/boot/video-mode.o
CC arch/x86/boot/video-vga.o
CC arch/x86/boot/video-vesa.o
CC arch/x86/boot/video-bios.o
```
所有的源代码会被编译，他们最终会被链接到`setup.elf` ：
```Makefile
LD arch/x86/boot/setup.elf
```
或者：
```
ld -m elf_x86_64 -T arch/x86/boot/setup.ld arch/x86/boot/a20.o arch/x86/boot/bioscall.o arch/x86/boot/cmdline.o arch/x86/boot/copy.o arch/x86/boot/cpu.o arch/x86/boot/cpuflags.o arch/x86/boot/cpucheck.o arch/x86/boot/early_serial_console.o arch/x86/boot/edd.o arch/x86/boot/header.o arch/x86/boot/main.o arch/x86/boot/mca.o arch/x86/boot/memory.o arch/x86/boot/pm.o arch/x86/boot/pmjump.o arch/x86/boot/printf.o arch/x86/boot/regs.o arch/x86/boot/string.o arch/x86/boot/tty.o arch/x86/boot/video.o arch/x86/boot/video-mode.o arch/x86/boot/version.o arch/x86/boot/video-vga.o arch/x86/boot/video-vesa.o arch/x86/boot/video-bios.o -o arch/x86/boot/setup.elf
```
最后两件事是创建包含目录`arch/x86/boot/*` 下的编译过的代码的`setup.bin`：
```
objcopy -O binary arch/x86/boot/setup.elf arch/x86/boot/setup.bin
```
以及从`vmlinux` 生成`vmlinux.bin` :
```
objcopy -O binary -R .note -R .comment -S arch/x86/boot/compressed/vmlinux arch/x86/boot/vmlinux.bin
```
最后，我们编译主机程序[arch/x86/boot/tools/build.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/tools/build.c)，它将会用来把`setup.bin` 和`vmlinux.bin` 打包成`bzImage`:
```
arch/x86/boot/tools/build arch/x86/boot/setup.bin arch/x86/boot/vmlinux.bin arch/x86/boot/zoffset.h arch/x86/boot/bzImage
```
实际上`bzImage` 就是把`setup.bin` 和`vmlinux.bin` 连接到一起。最终我们会看到输出结果，就和那些用源码编译过内核的同行的结果一样：
```
Setup is 16268 bytes (padded to 16384 bytes).
System is 4704 kB
CRC 94a88f9a
Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready (#5)
```
全部结束。
结论
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这就是本文的最后一节。本文我们了解了编译内核的全部步骤：从执行`make` 命令开始，到最后生成`bzImage`。我知道，linux 内核的makefiles 和构建linux 的过程第一眼看起来可能比较迷惑，但是这并不是很难。希望本文可以帮助你理解构建linux 内核的整个流程。
链接
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* [GNU make util](https://en.wikipedia.org/wiki/Make_%28software%29)
* [Linux kernel top Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Makefile)
* [cross-compilation](https://en.wikipedia.org/wiki/Cross_compiler)
* [Ctags](https://en.wikipedia.org/wiki/Ctags)
* [sparse](https://en.wikipedia.org/wiki/Sparse)
* [bzImage](https://en.wikipedia.org/wiki/Vmlinux#bzImage)
* [uname](https://en.wikipedia.org/wiki/Uname)
* [shell](https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_%28computing%29)
* [Kbuild](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/kbuild/kbuild.txt)
* [binutils](http://www.gnu.org/software/binutils/)
* [gcc](https://gcc.gnu.org/)
* [Documentation](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/kbuild/makefiles.txt)
* [System.map](https://en.wikipedia.org/wiki/System.map)
* [Relocation](https://en.wikipedia.org/wiki/Relocation_%28computing%29)
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via: https://github.com/0xAX/linux-insides/blob/master/Misc/how_kernel_compiled.md
译者：[译者ID](https://github.com/oska874)
校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID)
本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创翻译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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