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探索 Linux 内核：Kconfig/kbuild 的秘密
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> 深入理解 Linux 配置/构建系统是如何工作的。
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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。
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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。
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### Kconfig
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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：
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| 配置目标 | 解释 |
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| ---------------- | --------------------------------------------------------- |
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| `config` | 利用命令行程序更新当前配置 |
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| `nconfig` | 利用基于 ncurses 菜单的程序更新当前配置 |
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| `menuconfig` | 利用基于菜单的程序更新当前配置 |
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| `xconfig` | 利用基于 Qt 的前端程序更新当前配置 |
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| `gconfig` | 利用基于 GTK+ 的前端程序更新当前配置 |
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| `oldconfig` | 基于提供的 `.config` 更新当前配置 |
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| `localmodconfig` | 更新当前配置，禁用没有载入的模块 |
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| `localyesconfig` | 更新当前配置，转换本地模块到核心 |
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| `defconfig` | 带有来自架构提供的 `defconcig` 默认值的新配置 |
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| `savedefconfig` | 保存当前配置为 `./defconfig`（最小配置） |
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| `allnoconfig` | 所有选项回答为 `no` 的新配置 |
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| `allyesconfig` | 所有选项回答为 `yes` 的新配置 |
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| `allmodconfig` | 尽可能选择所有模块的新配置 |
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| `alldefconfig` | 所有符号（选项）设置为默认值的新配置 |
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| `randconfig` | 所有选项随机选择的新配置 |
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| `listnewconfig` | 列出新选项 |
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| `olddefconfig` | 同 `oldconfig` 一样，但设置新符号（选项）为其默认值而无须提问 |
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| `kvmconfig` | 启用支持 KVM 访客内核模块的附加选项 |
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| `xenconfig` | 启用支持 xen 的 dom0 和 访客内核模块的附加选项 |
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| `tinyconfig` | 配置尽可能小的内核 |
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我认为 `menuconfig` 是这些目标中最受欢迎的。这些目标由不同的<ruby>主程序<rt>host program</rt></ruby>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。
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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][1]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。
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大多数配置目标具有大致相同的内部过程（如下所示）：
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请注意，所有配置项都具有默认值。
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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：
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1. `.config`
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2. `/lib/modules/$(shell,uname -r)/.config`
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3. `/etc/kernel-config`
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4. `/boot/config-$(shell,uname -r)`
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5. `ARCH_DEFCONFIG`
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6. `arch/$(ARCH)/defconfig`
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如果你通过 `menuconfig` 进行基于 GUI 的配置或通过 `oldconfig` 进行基于命令行的配置，则根据你的自定义更新数据库。最后，该配置数据库被转储到 `.config` 文件中。
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但 `.config` 文件不是内核构建的最终素材；这就是 `syncconfig` 目标存在的原因。`syncconfig`曾经是一个名为 `silentoldconfig` 的配置目标，但它没有做到其旧名称所说的工作，所以它被重命名。此外，因为它是供内部使用的（不适用于用户），所以它已从上述列表中删除。
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以下是 `syncconfig` 的作用：
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`syncconfig` 将 `.config` 作为输入并输出许多其他文件，这些文件分为三类：
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* `auto.conf` ＆ `tristate.conf` 用于 makefile 文本处理。例如，你可以在组件的 makefile 中看到这样的语句：`obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY) += calibrate.o`。
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* `autoconf.h` 用于 C 语言的源文件。
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* `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。
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配置完成后，我们将知道哪些文件和代码片段未编译。
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### kbuild
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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。
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kbuild 指向到不同类型的 makefile：
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* `Makefile` 位于源代码根目录的顶级 makefile。
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* `.config` 是内核配置文件。
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* `arch/$(ARCH)/Makefile` 是架构的 makefile，它用于补充顶级 makefile。
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* `scripts/Makefile.*` 描述所有的 kbuild makefile 的通用规则。
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* 最后，大约有 500 个 kbuild makefile。
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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][2] 描述了这些 makefile 的方方面面。
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作为一个例子，让我们看看如何在 x86-64 上生成 `vmlinux`：
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![vmlinux overview][4]
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（此插图基于 Richard Y. Steven 的[博客][5]。有过更新，并在作者允许的情况下使用。）
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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。
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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：
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```
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# In top Makefile
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vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps)
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+$(call if_changed,link-vmlinux)
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# Variable assignments
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vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN) $(KBUILD_VMLINUX_LIBS)
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export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y)
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export KBUILD_VMLINUX_MAIN := $(core-y) $(libs-y2) $(drivers-y) $(net-y) $(virt-y)
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export KBUILD_VMLINUX_LIBS := $(libs-y1)
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export KBUILD_LDS := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds
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init-y := init/
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drivers-y := drivers/ sound/ firmware/
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net-y := net/
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libs-y := lib/
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core-y := usr/
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virt-y := virt/
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# Transform to corresponding built-in.a
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init-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(init-y))
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core-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(core-y))
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drivers-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(drivers-y))
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net-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(net-y))
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libs-y1 := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
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libs-y2 := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(filter-out %.a, $(libs-y)))
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virt-y := $(patsubst %/, %/built-in.a, $(virt-y))
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# Setup the dependency. vmlinux-deps are all intermediate objects, vmlinux-dirs
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# are phony targets, so every time comes to this rule, the recipe of vmlinux-dirs
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# will be executed. Refer "4.6 Phony Targets" of `info make`
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$(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
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# Variable vmlinux-dirs is the directory part of each built-in.a
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vmlinux-dirs := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(init-y) $(init-m) \
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$(core-y) $(core-m) $(drivers-y) $(drivers-m) \
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$(net-y) $(net-m) $(libs-y) $(libs-m) $(virt-y)))
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# The entry of recursive make
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$(vmlinux-dirs):
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$(Q)$(MAKE) $(build)=$@ need-builtin=1
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```
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递归 make 的<ruby>配方<rt>recipe</rt></ruby>被扩展开是这样的：
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```
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make -f scripts/Makefile.build obj=init need-builtin=1
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```
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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。
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#### vmlinux 与 bzImage 对比
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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：
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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。
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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。
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#### 依赖跟踪
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kbuild 跟踪三种依赖关系：
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1. 所有必备文件（`*.c` 和 `*.h`）
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2. 所有必备文件中使用的 `CONFIG_` 选项
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3. 用于编译该目标的命令行依赖项
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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：
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#ifdef CONFIG_SMP
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__boot_cpu_id = cpu;
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#endif
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```
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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。
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当 `.c` 文件通过 `#include` 指令使用头文件时，你需要编写如下规则：
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```
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main.o: defs.h
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recipe...
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```
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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`
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```
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# In scripts/Makefile.lib
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c_flags = -Wp,-MD,$(depfile) $(NOSTDINC_FLAGS) $(LINUXINCLUDE) \
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-include $(srctree)/include/linux/compiler_types.h \
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$(__c_flags) $(modkern_cflags) \
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$(basename_flags) $(modname_flags)
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```
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这将生成一个 `.d` 文件，内容如下：
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```
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init_task.o: init/init_task.c include/linux/kconfig.h \
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include/generated/autoconf.h include/linux/init_task.h \
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include/linux/rcupdate.h include/linux/types.h \
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...
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```
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然后主程序 [fixdep][6] 通过将 depfile 文件和命令行作为输入来处理其他两个依赖项，然后以 makefile 格式输出一个 `.<target>.cmd` 文件，它记录命令行和目标的所有先决条件（包括配置）。 它看起来像这样：
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```
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# The command line used to compile the target
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cmd_init/init_task.o := gcc -Wp,-MD,init/.init_task.o.d -nostdinc ...
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...
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# The dependency files
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deps_init/init_task.o := \
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$(wildcard include/config/posix/timers.h) \
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$(wildcard include/config/arch/task/struct/on/stack.h) \
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$(wildcard include/config/thread/info/in/task.h) \
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...
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include/uapi/linux/types.h \
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arch/x86/include/uapi/asm/types.h \
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include/uapi/asm-generic/types.h \
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...
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```
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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。
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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。
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### 展望未来
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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。
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via: https://opensource.com/article/18/10/kbuild-and-kconfig
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作者：[Cao Jin][a]
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选题：[lujun9972][b]
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译者：[wxy](https://github.com/wxy)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://opensource.com/users/pinocchio
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[b]: https://github.com/lujun9972
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[1]: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/kbuild/kconfig-language.txt
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[2]: https://www.mjmwired.net/kernel/Documentation/kbuild/makefiles.txt
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[3]: https://opensource.com/file/411516
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[4]: https://opensource.com/sites/default/files/uploads/vmlinux_generation_process.png (vmlinux overview)
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[5]: https://blog.csdn.net/richardysteven/article/details/52502734
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[6]: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/scripts/basic/fixdep.c
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