操作系统基础 | 2. 初试linux内核

发表于 更新于 分类于

内核源码相关

获取内核源码

当前的 Linux 源代码总是可以在 http://www.kernel.org 官方网站上以完整的 tarball（用 tar 命令创建的归档文件）和增量补丁的形式获得。 可以利用Elixir Cross Referencer网站在线查看源码

使用 Git

你可以用 Git 获取 Linus 主线最新的源码树： 

1
git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
检出后，可以用如下命令更新你的源码树到 Linus 的最新版本： 
1
git pull

安装内核源码

内核 tarball 以 GNU zip（gzip）和 bzip2 两种格式发布。bzip2 是默认且推荐的格式，因为它通常压缩得更好。bzip2 格式的内核包名为 linux-x.y.z.tar.bz2，其中 x.y.z 是内核版本号。下载源码后，解压和解包很简单。如果你的 tarball 是 bzip2 压缩的，运行： 

1
tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2
如果是 gzip 压缩的，运行： 
1
tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz
这会将源码解压到 linux-x.y.z 目录。如果你用 git 获取源码，就不需要下载 tarball，只需运行 git clone，Git 会自动下载并解包最新源码。

源码安装与开发位置

内核源码通常安装在 /usr/src/linux。但你不应该在这个目录下开发，因为你的 C 库可能会链接到这里的内核版本。此外，修改内核源码不应需要 root 权限——建议在你的 home 目录下开发，只在安装新内核时用 root。即使安装新内核，也不要动 /usr/src/linux。

使用补丁

在 Linux 内核社区，补丁是交流的通用语言。你会以补丁的形式分发你的代码更改，也会以补丁的形式接收别人的代码。增量补丁可以让你轻松地从一个内核版本升级到下一个，无需每次都下载完整的大包，只需应用增量补丁即可，节省带宽和时间。要应用增量补丁，在内核源码目录下运行： 

1
patch -p1 < ../patch-x.y.z
通常，补丁是针对前一个版本的源码生成的。

内核源码树结构简介

Linux 内核源码树（source tree）被划分为多个目录，每个目录下又包含许多子目录。下表列出了源码树根目录下的主要目录及其说明：

目录（Directory） 说明（Description）
arch 架构相关源码（不同CPU架构的实现）
block 块设备I/O层
crypto 加密API
Documentation 内核源码文档
drivers 设备驱动
firmware 某些驱动需要用到的设备固件
fs 虚拟文件系统（VFS）及各类文件系统实现
include 内核头文件
init 内核启动与初始化代码
ipc 进程间通信代码
kernel 核心子系统（如调度器等）
lib 辅助函数库
mm 内存管理子系统及虚拟内存
net 网络子系统
samples 示例和演示代码
scripts 构建内核用的脚本
security Linux安全模块
sound 声音子系统
usr 早期用户空间代码（如initramfs）
tools 内核开发相关工具
virt 虚拟化基础设施

源码树根目录下的一些文件

  • COPYING：内核许可证（GNU GPL v2）。
  • CREDITS：内核主要开发者名单。
  • MAINTAINERS：各子系统和驱动的维护者名单。
  • Makefile：内核主 Makefile，用于编译和构建整个内核。

配置内核（Configuring the Kernel）

因为 Linux 源码是开放的，所以你可以在编译前根据自己的需求进行配置和定制。实际上，你可以只为你需要的功能和驱动编译支持。配置内核是编译前的必经步骤。由于内核功能丰富、支持的硬件种类繁多，配置选项也非常多。

内核配置选项（Configuration Options）

内核配置通过一系列以 CONFIG_ 开头的选项控制，例如 CONFIG_SMP 控制对称多处理（SMP）支持。设置该选项即启用 SMP，未设置则禁用。配置选项既决定编译哪些文件，也通过预处理指令影响源码。

  • 布尔型（Boolean）：只有 yes 或 no 两种状态。比如 CONFIG_PREEMPT。
  • 三态（Tristate）：yes、no 或 module。module 表示编译为可动态加载的模块（.ko 文件）；yes 表示直接编译进内核镜像。
  • 字符串或整数：用于指定某些参数值，比如数组大小，这些不会影响编译流程，而是作为宏被源码访问。

发行版内核与自定义内核

各大 Linux 发行版（如 Ubuntu、Fedora）自带的内核都是预编译好的，通常会启用大部分常用功能，并把绝大多数驱动编译为模块，以便支持各种硬件。但如果你想深入学习或开发内核，还是需要自己编译内核，并选择合适的模块。

配置工具

内核提供了多种配置工具：

  • 文本命令行工具

    1
    make config
    逐项询问每个选项，适合有耐心的用户。

  • 基于 ncurses 的图形界面

    1
    make menuconfig
    推荐使用，界面友好，选项分门别类。

  • 基于 GTK+ 的图形界面

    1
    make gconfig
    适合喜欢图形界面的用户。

这些工具会把配置选项分为不同类别（如“处理器类型与特性”），你可以浏览、修改各项配置。

快速生成默认配置

如果你不想从零开始配置，可以用默认配置： 

1
make defconfig
这会生成一个适合你当前架构的默认配置（比如 i386 下据说是 Linus 的配置），适合新手快速上手。之后可以再根据自己的硬件调整配置。

配置文件的位置与管理

所有配置选项最终会保存在源码根目录下的 .config 文件中。你也可以直接编辑这个文件（很多内核开发者都这么做），只需搜索并修改对应的配置项即可。

如果你用现有的 .config 文件，或者升级到新内核后想沿用旧配置，可以用： 

1
make oldconfig
它会根据新内核的选项补全或更新你的配置。

复制当前内核配置

如果当前内核启用了 CONFIG_IKCONFIG_PROC，你可以直接从 /proc/config.gz 拷贝当前内核的配置： 

1
2
zcat /proc/config.gz > .config
make oldconfig
这样可以方便地克隆当前系统的内核配置。

编译内核

配置好后，只需一条命令即可编译内核： 

1
make
自 2.6 版本起，无需再手动运行 make dep 或分别编译 bzImage、modules，默认的 Makefile 规则会自动处理所有依赖和构建流程。

降低编译输出噪音（Minimizing Build Noise）

在编译内核时，终端会输出大量信息。为了减少这些“噪音”，但又能看到警告和错误，可以将 make 的标准输出重定向到文件：

1
make > ../detritus

如果需要查看详细输出，可以阅读该文件。由于警告和错误信息会输出到标准错误（stderr），通常你不需要关心标准输出。实际上，你可以直接把输出丢到“黑洞”：

1
make > /dev/null

这样所有无用的输出都会被丢弃，只在终端显示警告和错误。

并行编译（Spawning Multiple Build Jobs）

make 支持并行编译，可以同时运行多个编译任务，大大加快多核系统上的编译速度。方法如下：

1
make -jN

其中 N 是并行任务数。通常建议每个处理器核心分配1~2个任务。例如，16核机器可以这样：

1
make -j32 > /dev/null

此外，使用如 distcc 或 ccache 等工具也能进一步提升编译速度。

安装新内核（Installing the New Kernel）

内核编译完成后，需要安装。安装方式依赖于你的硬件架构和引导程序（boot loader），请查阅对应引导程序的文档。

以 x86 + grub 为例：

  1. 将 arch/i386/boot/bzImage 复制到 /boot，并命名为如 vmlinuz-version。
  2. 编辑 /boot/grub/grub.conf，为新内核添加启动项。

如果使用 LILO：

  1. 编辑 /etc/lilo.conf，添加新内核项。
  2. 重新运行 lilo 命令。

安装模块（Installing Modules）

模块的安装是自动且与架构无关的。只需以 root 权限运行： 

1
make modules_install
这会把所有编译好的模块安装到 /lib/modules 下的对应目录。

System.map 文件

编译过程中还会在源码根目录生成 System.map 文件。它是一个符号查找表，用于将内核符号映射到内存地址，在调试时可以把地址转换为函数或变量名。