Linux 3.0内核Makefile分析
[ 摘要 ] 由于 Linux 的独特优势，使越来越多的企业和科研机构把目光转向 Linux 的开发和研究上。目前 Linux 最新的稳定内核版本为 2.6.17 ，但是当今绝大部分对于 Linux Makefile 的介绍文章都是基于 2.4 内核的 ，可以说关于 2.6 内核 Makefile 相关的文章凤毛麟角，笔者抽时间完成了这篇分析文章，让读者迅速熟悉 Linux 最新 Makefile 体系，从而加深对内核的理解，同时也希望能对 Linux 在公司的推广起到一定的推动作用，算是抛砖引玉吧！
1 Makefile 组织层次
Linux 的 Make 体系由如下几部分组成：
Ø 顶层 Makefile
顶层 Makefile 通过读取配置文件，递归编译内核代码树的相关目录，从而产生两个重要的目标文件： vmlinux 和模块。
Ø 内核相关 Makefile
位于 arch/$(ARCH) 目录下，为顶层 Makefile 提供与具体硬件体协结构相关的信息。
Ø 公共编译规则定义文件。
包括 Makefile.build 、 Makefile.clean 、 Makefile.lib 、 Makefile.host 等文件组成。这些文件位于 scripts 目录中，定义了编译需要的公共的规则和定义。
Ø 内核配置文件 .config
通过调用 make menuconfig 或者 make xconfig 命令，用户可以选择需要的配置来生成期望的目标文件。
Ø 其他 Makefile
主要为整个 Makefile 体系提供各自模块的目标文件定义，上层 Makefile 根据它所定义的目标来完成各自模块的编译。
2 Makefile 的使用
在编译内核之前，用户必须首先完成必要的配置。 Linux 内核提供了数不胜数的功能，支持众多的硬件体系结构，这就需要用户对将要生成的内核进行裁减。内核提供了多种不同的工具来简化内核的配置，最简单的一种是字符界面下命令行工具：
make config
这个工具会依次遍历内核所有的配置项，要求用户进行逐项的选择配置。这个工具会耗费用户太多时间，除非万不得以（你的编译主机不支持其他配置工具）一般不建议使用。
用户还可以使用利用 ncurse 库编制的图形界面工具，这就是大名鼎鼎的：
make menuconfig
相信以前对 2.4 内核比较熟悉的用户一定不会陌生。当然在 2.6 内核中提供了更漂亮和方便的基于 X11 的图形配置工具：
make xconfig
当用户使用这个工具对 Linux 内核进行配置时，界面下方会出现这个配置项相关的帮助信息和简单描述，当你对内核配置选项不太熟悉时，建议你使用这个工具来进行内核配置。
当用户完成配置后，配置工具会自动生成 .config 文件，它被保存在内核代码树的根目录下。用户可以很容易找到它，当然用户也可以直接对这个文件进行简单的修改。但是当你修改过配置文件之后，你必须通过下面的命令来验证和更新配置：
make oldconfig
跟 2.4 版本的不同之处在于，用户不需要显示的调用 make dep 命令来生成依赖文件，内核会自动维护代码间的依赖关系。
当一切工作完成以后，用户只需要简单键入 make ，剩下所有的工作 makefile 就会自动替你完成了。
3 Makefile 编译流程
当用户使用 Linux 的 Makefile 编译内核版本时， Makefile 的编译流程如下：
Ø 使用命令行或者图形界面配置工具，对内核进行裁减，生成 .config 配置文件
Ø 保存内核版本信息到 include/linux/version.h
Ø 产生符号链接 include/asm, 指向实际目录 include/asm-$(ARCH)
Ø 为最终目标文件的生成进行必要的准备工作
Ø 递归进入 /init 、 /core 、 /drivers 、 /net 、 /lib 等目录和其中的子目录来编译生成所有的目标文件
Ø 链接上述过程产生的目标文件生成 vmlinux ， vmlinux 存放在内核代码树的根目录下
Ø 最后根据 arch/$(ARCH)/Makefile 文件定义的后期编译的处理规则建立最终的映象 bootimage, 包括创建引导记录、准备 initrd 映象和相关处理
4 Makefile 关键规则和定义描述
1) 目标定义
目标定义是 Makefile 文件的核心部分，目标定义通知 Makefile 需要生成哪些目标文件、如何根据特殊的编译选项链接目标文件，同时控制哪些子目录要递归进入进行编译。
这个例子 Makefile 文件位于 /fs/ext2 目录 :
#
# Makefile for the linux ext2-filesystem routines.
#
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y := balloc.o bitmap.o dir.o file.o fsync.o ialloc.o inode.o /
ioctl.o namei.o super.o symlink.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o xattr_user.o xattr_trusted.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_POSIX_ACL) += acl.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_SECURITY) += xattr_security.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XIP) += xip.o
这表示与 ext2 相关的目标文件由 ext2-y 定义的文件列表组成，其中 ext2-$(*) 是由内核配置文件 .config 中的配置项决定，最终 Makefile 会在这个目录下统一生成一个目标文件 ext2.o （由 obj-$(CONFIG_EXT2_FS) 决定）。其中 obj-y 表示为生成 vmlinux 文件所需要的目标文件集合，具体的文件依赖于内核配置。
Makefile 会编译所有的 $(obj-y) 中定义的文件，然后调用链接器将这些文件链接到 built-in.o 文件中。最终 built-in.o 文件通过顶层 Makefile 链接到 vmlinux 中。值得注意的是 $(obj-y) 的文件顺序很重要。列表文件可以重复，文件第一次出现时将会链接到 built-in.o 中，后来出现的同名文件将会被忽略。文件顺序直接决定了他们被调用的顺序，这一点读者需要特别注意。
读者可能会在某些 Makefile 中发现 lib-y 定义，所有包含在 lib-y 定义中的目标文件都将会被编译到该目录下一个统一的库文件中。值得注意的是 lib-y 定义一般被限制在 lib 和 arch/$(ARCH)/lib 目录中。
体系makefile 文件和顶层makefile 文件共同定义了如何建立vmlinux 文件的规则。
$(head-y) 列举首先链接到vmlinux 的对象文件。
$(libs-y) 列举了能够找到lib.a 文件的目录。
其余的变量列举了能够找到内嵌对象文件的目录。
$(init-y) 列举的对象位于$(head-y) 对象之后。
然后是如下位置顺序：
$(core-y), $(libs-y), $(drivers-y) 和 $(net-y) 。
顶层makefile 定义了所有通用目录，arch/$(ARCH)/Makefile 文件只需增加体系相关的目录。
例如: #arch/i386/Makefile
libs-y += arch/i386/lib/
core-y += arch/i386/kernel/ /
arch/i386/mm/ /
arch/i386/$(mcore-y)/ /
arch/i386/crypto/
drivers-$(CONFIG_MATH_EMULATION) += arch/i386/math-emu/
drivers-$(CONFIG_PCI) += arch/i386/pci/
…………………………………………
2) 目录递归
Makefile 文件只负责当前目录下的目标文件，子目录中的文件由子目录中的 makefile 负责编译，编译系统使用 obj-y 和 obj-m 来自动递归编译各个子目录中的文件。
对于 fs/Makefile:
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/
如果在内核配置文件 .config 中， CONFIG_EXT2_FS 被设置为 y 或者 m ，则内核 makefile 会自动进入 ext2 目录来进行编译。内核 Makefile 只使用这些信息来决定是否需要编译这个目录，子目录中的 makefile 规定哪些文件编译为模块，哪些文件编译进内核。
3) 依赖关系
Linux Makefile 通过在编译过程中生成的 . 文件名 .o.cmd （比如对于 main.c 文件，它对应的依赖文件名为 .main.o.cmd ）来定义相关的依赖关系。
一般文件的依赖关系由如下部分组成：
Ø 所有的前期依赖文件（包括所有相关的 *.c 和 *.h ）
Ø 所有与 CONFIG_ 选项相关的文件
Ø 编译目标文件所使用到的命令行
位于 init 目录下的 main.c 文件的依赖文件 .main.o.cmd 内容如下，读者可以结合起来理解上述文件依赖关系的三个组成部分 :
cmd_init/main.o := gcc -m32 -Wp,-MD,init/.main.o.d -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/include -D__KERNEL__ -Iinclude -Iinclude2 -I/home/linux/linux-2.6.17.11/include -include include/linux/autoconf.h -I/home/linux/linux-2.6.17.11/init -Iinit -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs -fno-strict-aliasing -fno-common -Os -fomit-frame-pointer -pipe -msoft-float -mpreferred-stack-boundary=2 -march=i686 -mcpu=pentium4 -mregparm=3 -ffreestanding -I/home/linux/linux-2.6.17.11/include/asm-i386/mach-default -Iinclude/asm-i386/mach-default -D"KBUILD_STR(s)=/#s" -D"KBUILD_BASENAME=KBUILD_STR(main)" -D"KBUILD_MODNAME=KBUILD_STR(main)" -c -o init/.tmp_main.o /home/linux/linux-2.6.17.11/init/main.c
deps_init/main.o := /
/home/linux/linux-2.6.17.11/init/main.c /
$(wildcard include/config/x86/local/apic.h) /
$(wildcard include/config/acpi.h) /
# 由于篇幅的关系，此处略去一些定义
……………………………………..
include2/asm/mpspec_def.h /
/home/linux/linux-2.6.17.11/include/asm-i386/mach-default/mach_mpspec.h /
include2/asm/io_apic.h /
include2/asm/apic.h /
init/main.o: $(deps_init/main.o)
$(deps_init/main.o):
4) 特殊规则
特殊规则使用在内核编译需要规则定义而没有相应定义的时候。典型的例子如编译时头文件的产生规则。其他例子有体系makefile 编译引导映像的特殊规则。特殊规则写法同普通的makefile 规则。
编译程序在makefile 所在的目录不能被执行，因此所有的特殊规则需要提供前期文件和目标文件的相对路径。
定义特殊规则时将使用到两个变量：
$(src) ： $(src) 是对于makefile 文件目录的相对路径，当使用代码树中的文件时
使用该变量$(src) 。
$(obj) ： $(obj) 是目标文件目录的相对路径。生成文件使用$(obj) 变量。
例如: #drivers/scsi/Makefile
$(obj)/53c8xx_d.h: $(src)/53c7,8xx.scr $(src)/script_asm.pl
$(CPP) -DCHIP=810 - < $< | ... $(src)/script_asm.pl
这就是使用普通语法的特殊编译规则。
目标文件依赖于两个前提文件。目标文件的前缀是$(obj), 前提文件的前缀是
$(src)( 因为它们不是生成文件) 。
5) 引导映象
体系makefile 文件定义了编译vmlinux 文件的目标对象，将它们压缩和封装成引导代码，并复制到合适的位置。这包括各种安装命令。在Linux 中Makefile 无法为所有的体系结构提供标准化的方法，因此常需要具体硬件体系结构下makefile 提供附加处理规则。
附加处理过程常位于arch/$(ARCH)/ 下的boot/ 目录。
内核编译体系无法在boot/ 目录下提供一种便捷的方法创建目标系统文件。因此arch/$(ARCH)/Makefile 要调用make 命令在boot/ 目录下建立目标系统文件。建议使用的方法是在arch/$(ARCH)/Makefile 中设置调用，并且使用完整路径引用arch/$(ARCH)/boot/Makefile 。
例如: #arch/i386/Makefile
boot := arch/i386/boot
bzImage: vmlinux
$(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(boot)/$@
建议使用"$(Q)$(MAKE) $(build)=<dir>" 方式在子目录中调用make 命令。
当执行不带参数的make 命令时，将首先编译第一个目标对象。在顶层makefile 中第一个目标对象是all: 。
一个体系结构需要定义一个默认的可引导映像。
增加新的前提文件给all 目标可以设置不同于vmlinux 的默认目标对象。
例如: #arch/i386/Makefile
all: bzImage
当执行不带参数的"make" 命令时，bzImage 文件将被编译。
6) 常用编译命令
if_changed
如果必要，执行传递的命令。
用法:
$(builtin-target): $(obj-y) FORCE
$(call if_changed,link_o_target)
当这条规则被使用时它将检查哪些文件需要更新，或命令行被改变。后面这种情况将迫使
重新编译编译选项被改变的执行文件。使用if_changed 的目标对象必须列举在$( builtin-target) 中，否则命令行检查将失败，目标一直会编译。
if_changed_dep
如果必要，执行传递的命令并更新依赖文件。
用法：
%.o: %.S FORCE
$(call if_changed_dep,as_o_S)
当这条规则被使用时它将检查哪些文件需要更新，或命令行被改变。同时它会重新检测依赖关系的改变并将生成新的依赖文件。这是与if_changed 命令的区别。
7) 定制命令
当正常执行带编译命令时命令的简短信息会被显示（要想显示详细的命令，请在命令行中加入V ＝1 ）。要让定制命令具有这种功能需要设置两个变量：
quiet_cmd_<command> - 将被显示的内容
cmd_<command> - 被执行的命令
例如: #
quiet_cmd_image = BUILD $@
cmd_image = $(obj)/tools/build $(BUILDFLAGS) /
$(obj)/vmlinux.bin > $@
targets += bzImage
$(obj)/bzImage: $(obj)/vmlinux.bin $(obj)/tools/build FORCE
$(call if_changed,image)
@echo 'Kernel: $@ is ready'
执行make 命令编译$(obj)/bzImage 目标时将显示：
BUILD arch/i386/boot/bzImage
8) 预处理链接脚本
当编译vmlinux 映像时将使用arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds 链接脚本。
相同目录下的vmlinux.lds.S 文件是这个脚本的预处理的变体。内核编译系统知晓.lds
文件。并使用规则*lds.S -> *lds 。
例如: #arch/i386/kernel/Makefile
always := vmlinux.lds
#Makefile
export CPPFLAGS_vmlinux.lds += -P -C -U$(ARCH)
$(always) 赋值语句告诉编译系统编译目标是vmlinux.lds 。$(CPPFLAGS_vmlinux.lds)
赋值语句告诉编译系统编译vmlinux.lds 目标的编译选项。
编译*.lds 时将使用到下面这些变量：
CPPFLAGS : 定义在顶层Makefile
EXTRA_CPPFLAGS : 可以设置在编译的makefile 文件中
CPPFLAGS_$(@F) : 目标编译选项。注意要使用文件全名。
9) 主机辅助程序的编译
内核编译系统支持在编译阶段编译主机可执行程序。为了使用主机程序需要两个步骤：第一个步骤使用hostprogs-y 变量告诉内核编译系统有主机程序可用。第二步给主机程序添加潜在的依赖关系。有两种方法，在规则中增加依赖关系或使用$(always) 变量。这一部分的内容相对于其他内核文件的编译要简单的多，感兴趣的读者可以参考scripts/Makefile.build 中的相关内容。
10) Clean 机制
clean 命令清除在编译内核生成的大部分文件，例如主机程序，列举在 $(hostprogs-y) 、$(hostprogs-m) 、$(always) 、$(extra-y) 和$(targets) 中目标文件都将被删除。代码目录数中的"*.[oas]" 、"*.ko" 文件和一些由编译系统产生的附加文件也将被删除。
附加文件可以使用$(clean-files) 进行定义。
例如: #drivers/pci/Makefile
clean-files := devlist.h classlist.h
当执行"make clean" 命令时， "devlist.h classlist.h" 两个文件将被删除。内核编译系统默认这些文件与makefile 具有相同的相对路径，否则需要设置以'/' 开头的绝对路径。
删除整个目录使用以下方式：
例如: #scripts/package/Makefile
clean-dirs := $(objtree)/debian/
这样就将删除包括子目录在内的整个debian 目录。如果不使用以'/' 开头的绝对路径内核编译系统见默认使用相对路径。
通常内核编译系统根据"obj-* := dir/" 进入子目录，但是在体系makefile 中需要显式使用如下方式：
例如: #arch/i386/boot/Makefile
subdir- := compressed/
上面赋值语句指示编译系统执行"make clean" 命令时进入compressed/ 目录。
在编译最终的引导映像文件的makefile 中有一个可选的目标对象名称是archclean 。
例如: #arch/i386/Makefile
archclean:
$(Q)$(MAKE) $(clean)=arch/i386/boot
当执行"make clean" 时编译器进入arch/i386/boot 并象通常一样工作。arch/i386/boot 中的makefile 文件可以使用subdir- 标识进入更下层的目录。
注意1: arch/$(ARCH)/Makefile 不能使用"subdir-" ，因为它被包含在顶层makefile 文件中，在这个位置编译机制是不起作用的。
注意2: 所有列举在core-y 、libs-y 、drivers-y 和net-y 中的目录将被"make clean" 命令清除。
4 小结
随着 Linux 的飞速发展，越来越多的开发人员将关注的焦点集中到 Linux 的研究和开发上。如果想对 Linux 内核进行研究和开发，就必须首先熟悉 Linux 内核 Makefile 的组织和编译过程。目前 Linux 最新的稳定内核版本为 2.6.17 ，但是当今绝大部分对于 Linux Makefile 的介绍都是基于 2.4 内核的 ，可以说关于 2.6 内核 Makefile 相关的文章凤毛麟角，我特意抽时间完成了这篇分析文章，让读者迅速熟悉 Linux 最新 Makefile 体系，从而加深对内核的理解，同时也希望能对 Linux 在公司的推广起到一定的推动作用。