Linux makefile分析

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Linux

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一、概述

Linux内核源码中含有很多个Makefile文件，这些Makefile文件又要包含其他一些文件（比如配置信息、通用规则等）。这些文件构成了Linux的Makefile体系。

名称	描述
顶层Makefile	它是所有Makefile文件的核心，从总体上控制着内核的编译、连接
.config	配置文件，在配置内核时生成。所有Makefile(包括顶层目录及各级子目录)都是根据.config来决定使用哪些文件
arc/${ARCH}/Makefile	对应体系结构的Makefile，它用来决定哪些体系结构相关的文件参与内核的生成，并提供一些规则来生成特定格式的内核映像
scripts/Makefile.*	Makefile共用的通用规则、脚本等
kbuild Makefiles	各级子目录下的Makefile，它们相对简单，被上一层Makefile调用来编译当前目录下的文件

内核文档Documentation/kbuild/makefiles.txt对内核中Makefile的作用、用法讲解得非常透彻。

二、决定编译哪些文件

Linux内核的编译过程从顶层Makefile开始，然后递归地进入各级子目录调用它们的Makefile，分为3个步骤：

（1）顶层Makefile决定内核根目录哪些子目录将被编译进内核。

（2）arch/${ARCH}/Makefile决定arch/${ARCH}目录下哪些文件、哪些目录被编译进内核。

（3）各级子目录的Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件将被编成模块（即驱动程序），进入哪些子目录继续调用它们的Makefile。

先来看步骤（1），在顶层Makefile中可以看到如下内容：

init-y		:= init/
drivers-y	:= drivers/ sound/ firmware/
net-y		:= net/
libs-y		:= lib/
core-y		:= usr/
virt-y		:= virt/
...
core-y		+= kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

除了include目录，还有一个arch目录没有出现在内核中，它在arc/${ARCH}/Makefile中被包含进内核，在顶层Makefile中直接包含了这个Makefile，如下所示：

SRCARCH 	:= $(ARCH)
...
include arch/$(SRCARCH)/Makefile

对于ARCH变量，可以在执行make命令时传入，比如make ARCH=arm ...。另外，对于非x86平台，还需要指定交叉编译工具，这也可以在执行make命令进传入，比如make CROSS_CoMPILE=arm-linux-...。为了方便，常在顶层Makefile中进行如下修改

#修改前
ARCH    ?=$(SUBARCH)
CROSS_COMPILE ?=$(CONFIG_CROSS_COMPILE:"%"=%)
#修改后
ARCH  ?= arm
CROSS_COMPILE ?=arm-linux-

对于步骤（2）的arch/$(ARCH)/Makefile，以ARM体系为例，在arch/arm/Makefile中可以看到以下内容：

head-y		:= arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o
...
core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)	+= arch/arm/nwfpe/
core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)	+= $(FASTFPE_OBJ)
core-$(CONFIG_VFP)		+= arch/arm/vfp/
core-$(CONFIG_XEN)		+= arch/arm/xen/
core-$(CONFIG_KVM_ARM_HOST) 	+= arch/arm/kvm/
core-$(CONFIG_VDSO)		+= arch/arm/vdso/
...
core-y				+= arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
core-y				+= arch/arm/probes/
core-y				+= arch/arm/net/
core-y				+= arch/arm/crypto/
core-y				+= arch/arm/firmware/
core-y				+= $(machdirs) $(platdirs)
...
libs-y				:= arch/arm/lib/ $(libs-y)

MMUEXT在arch/arm/Makefile前面定义，对于没有MMU的处理器，MMUEXT的值为-nommu，使用文件 head-nommu.S，对于有MMU的处理器，MMUEXT的值为空，使用文件head.S。

core-y、libs-y的内容，这些都是体系结构相关的目录。

编译内核时，将依次进入init-y、core-y，drivers-y和net-y所列出的目录中执行它们的Makefile，每个子目录会生成一个built-in.o(libs-y所列目录下，有可能生成lib.a文件)，最后，head-y所表示的文件将和这些build-in.o、lib.a一起被连接成内核映像文件vmlinux。

最后，看一下步骤（3）是怎么进行的。

在配置内核时，生成配置文件.config，内核顶层Makefile使用如下语句间接包含.config文件，以后根据.config中定义的各个变量决定编译哪些文件。之所以说是间接包含，是因为包含的include/config/auto.conf文件，而它只是将.config文件中的注释去掉，并根据顶层的Makefile中定义的变量增加了一些变量而已。

# Read in config
-include include/config/auto.conf

在include/config/auto.conf文件中，变量的值主要有两类：“y”、“m”。各级子目录的Makefiel使用这些变量来决定哪些文件被编译进内核，哪些文件被编译成模块，要进入哪些下级子目录继续编译。

（1）obj-y用来定义哪些文件被编进内核

obj-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们连同下级子目录的built-in.o文件一起被组合成（使用$(LD) -r）当前目录下的built-in.o文件。这个built-in.o文件将被它的上一层Makefile使用。

obj-y中各个.o文件的顺序是有意义的，因为内核中使用module_init()或__initcall定义的函数将按照它们的连接顺序被调用。

例：

obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

当上面的CONFIG_ISDN、CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config中被定义为y时isdn.c或isdn.S、isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S被编译成isdn.o、isdn_bsdcomp.o。这两个.o文件被组合进built-in.o文件中，最后连接进入内核。假如isdn.o isdn_bsdcomp.o中分别用module_init(A) module_init(B)定义了函数A、B，则内核启动时A先被调用、然后是B。

（2）obj-m用来定义哪些文件被编译成可加载的模块

obj-m中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们不会被编进build-in.o中，而是被编成可加载模块。

一个模块可以由一个或几个.o文件组成。对于只有一个源文件的模块，在obj-m中直接增加它的.o文件即可。对于有多个源文件的模块，除在obj-m中增加一个.o文件外，还要定义一个<module_name>-objs变量来告诉Makefil这个.o文件由哪些文件组成。

例1：

#当CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config文件中被定义为m时，isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S
#将被编译成isdn_bsdcomp.o文件
obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

例2

#当下面的CONFIG_ISDN在.config文件中被定义为m时，将会生成一个isdn.o文件，
#它由isdn-objs中定义的isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o等
#3个文件组合
obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o

（3）lib-y用来定义哪些文件被编译成库文件

lib-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们被打包成当前目录下的一个库文件：lib.a。

同时出现在obj-y、lib-y中的.o文件，不会被包含进lib.a中。

要把这个lib.a编进内核中，需要在顶层Makefile中libs-y变量中列出当前目录。要编进库文件的内核代码一般都在这两个目录下：lib/ 、arch/$(ARCH)/lib

（4）obj-y、obj-m还可以用来指定要进入的下一层子目录

Linux中一个Makefile文件只负责生成当前目录下的目标文件，子目录下的目标文件由子目录的Makefile生成。Linux的编译系统会自动进入这些子目录调用它们的Makefile，只是在这之前指定这些子目录。

这要用到obj-y、obj-m，只要在其中增加这些子目录名即可。

例子：

#fs/Makefile中有如下一行
obj-$(CONFIG_JFFS2_FS)		+= jffs2/

三、怎么编译这些文件

即编译选项、连接选项是什么。这些选项分为3类：全局的，适用于整个内核代码；局部的，仅适用于某个Makefile中的所有文件；个体的，仅适用于某个文件。

全局选项在顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile中定义，这些选项的名称为CFLAG、AFLAG、LDFLAG、ARFLAG，它们分别是编译C文件的选项、编译汇编文件的选项、连接文件的选项、制作库文件的选项。

需要使用局部选项时，它们在各个子目录中定义，名称为：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS，它们的用途与前述选项相同，只是作用范围比较小，它们针对当前Makefile中的所有文件。

另外，如果想针对某个文件定义它的编译选项，可以使用CFLAG_$@, AFLAGS_$@，前者用于编译某个C文件，后者用编译某个汇编文件。$@表示某个文件名，比如

CFLAGS_aha152x.o = -DAHA152X_STAT -DAUTOCONF

需要注意的是，这3类选项是一起使用的。

四、怎么连接这些文件，它们的顺序如何

前面分析有哪些文件要编译进内核，顶层的Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile定义几类目录（或文件）：head-y, init-y, drivers-y, net-y, libs-y, core-y。除head-y外，其余的都是目录名。这些目录的名面直接加上了built-in.a或lib.a，表示要链接进内核的文件

# 以init-y为例，其实就是变成了init-y/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))

顶层Makefile再往下看

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

对于ARM体系，连接脚本就是arch/$(ARM)/kernel/vmlinux.lds，它由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S文件生成，规则在scripts/Makefile.build中

$(obj)/%.lds: $(src)/%.lds.S FORCE
	$(call if_changed_dep,cpp_lds_S)

顶层makefile

先是定义了内核的版本，接下来会自到很ifeq条件判断语句，它们负责检查传递给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的有效命令行参数。例如，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。

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KBUILD_VERSION就会为0。然后根据KBUILD_VERBOSE的值来决定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，这条命令的输出将会是CC scripts/mod/empty.o，而不是Compiling...scripts/mod/empty.o，在这段最后，导出了所有的变量。

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。

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，它代表内核代码的顶层目录，它代表内核代码的顶层目录，如果它是空的（第一次执行makefile时总是空的），我们会设置变量KBULD_OUTPUT为传递选项O的值（如果这个选项项被传递进来了），下一步会检查变量KBUILD_OUTPUT，如果已经设置好那么接下来会做以下几件事：

（1）将变量KBUILD_OUTPUT的值保存到临时变量saved-output

（2）尝试创建给定的输出目录

（3）检查创建的输出目录，如果失败了就打印错误

（4）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

下一个ifeq语句检查传递给make的选项C和M

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，默认情况下使用sparse。第二个选项M会用来编译外部模块。

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为当前目录。

ifeq ($(KBUILD_SRC),)
        srctree := .
endif
  
objtree := .
src  := $(srctree)
obj  := $(objtree)
 
export srctree objtree VPATH

这将告诉Makefile内核的源码树就在执行make命令的目录，并且将这些变量输出。

下一步操作是引入下面的文件

include scripts/Kbuild.include

文件Kbuild或者又叫做Kernel Build System是一个用来管理构建内核及模块的特殊框架。kbuild文件的语法与makefile一样。文件scripts/Kbuild.include为kbuild系统提供了一些常规的定义。

接着就是要获取SUBARCH的值，这个变量代表了当前系统架构（一般指CPU架构）

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/ )

执行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再赋给变量SUBARCH。获得SUBARCH之后就要设置SRCARCH，SRCARCH提供了硬件架构相关的代码的目录。

ifeq ($(ARCH),i386)
        SRCARCH := x86
endif
ifeq ($(ARCH),x86_64)
        SRCARCH := x86
endif

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.

KCONFIG_CONFIG ?= .config
export KCONFIG_CONFIG

以及编译内核过程中要用到的shell

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。

HOSTCC       = gcc
HOSTCXX      = g++
HOSTCFLAGS   = -Wall -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89
HOSTCXXFLAGS = -O2

接着又定义了两个变量: USERINCLUDE和LINUXINCLUDE，它们包含了头文件的路径（第一个是组用户用的，第二个是给内核用的）

# Use USERINCLUDE when you must reference the UAPI directories only.
USERINCLUDE    := \
		-I$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/include/uapi \
		-I$(objtree)/arch/$(SRCARCH)/include/generated/uapi \
		-I$(srctree)/include/uapi \
		-I$(objtree)/include/generated/uapi \
                -include $(srctree)/include/linux/kconfig.h

# Use LINUXINCLUDE when you must reference the include/ directory.
# Needed to be compatible with the O= option
LINUXINCLUDE    := \
		-I$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/include \
		-I$(objtree)/arch/$(SRCARCH)/include/generated \
		$(if $(KBUILD_SRC), -I$(srctree)/include) \
		-I$(objtree)/include \
		$(USERINCLUDE)

以及C编译器的标准标志

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，它们还可以在其他 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。

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

再往后，我们就就看到变量KBUILD_MODULES和KBUILD_BUILTIN的定义，这两上变量决定了我们要编译会么东西（内核、模块或者两者）

KBUILD_MODULES :=
KBUILD_BUILTIN := 1
 
ifeq ($(MAKECMDGOALS),modules)
  KBUILD_BUILTIN := $(if $(CONFIG_MODVERSIONS),1)
endif

如果仅仅传递了modules给make，变量KBUILD_BUILTIN会依赖于内核配置选项CONFIG_MODVERSIONS。

直接到

all: vmlinux
 include arch/$(SRCARCH)/Makefile

从export RCS_FIND_IGNORE到all:vmlinux这一部分的makefile代码，主要负责根据各种配置文件生成不同目标内核。

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。目标all依赖于根makefile后面声明的vmlinux

vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh autoksyms_recursive $(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

vmlinux-deps := $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)

它是由内核代码下的每个每个顶级目录的built-in.o组成。kbuild会编译各个目录下的所$(obj-y)对应的源文件，然后调用$(LD) -r把这些文件合并成一个build-in.o文件里。

下一个可被执行的目标如下

$(sort $(vmlinux-deps)): $(vmlinux-dirs) ;
$(vmlinux-dirs): prepare scripts
 $(Q)$(MAKE) $(build)=$@

vmlinux-dir依赖于两个部分：prepare和scripts。第一个prepare定义在内核的根makefile中

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。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（defconfig等）有关联。

第一个目标是makefile生成的系统调用列表中的archheaders

archheaders:
 $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/entry/syscalls all

第二个目标是makefile里的archscripts

archscripts: scripts_basic
 $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/tools relocs

可以看到archscripts是依赖于根Makefile里的scripts_basic。而scripts_basic是按照scripts/basic的makefile执行make的

scripts_basic:
 $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic

script/basic/Makefile包含了编译两个主机程序fixdep和bin2的目标

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生成的依赖列表，然后重新编译源文件的时候告诉make。第二个工具是bin2c，它依赖于内核配置选项CONFIG_BUILD_BIN2C，它是一个用来将标准输入stdin收到的二进制流通过标准输出接口stdout转换成C头文件的非常小的C程序。hostprog-y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。

当目标scripts_basic被执行，目标archscripts就会make arch/x86/tools下的makefile和目标relocs，包含了重定位的信息的代码relocs_32.c和relocs_64.c将会被编译。

在编译完relocs.c之后会检查version.h

$(version_h): $(srctree)/Makefile FORCE
 $(call filechk,version.h)
 $(Q)rm -f $(old_version_h)

在内核的根Makefile使用arch/x86/include/generated/asm的目标asm-generic来构建generic汇编头文件。这样archprepare就完成了，prepare0会接着被执行

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