几个重要的内核文件介绍
Linux服务器内核编译基础
--几个重要的RedHat Linux内核文件介绍
在网络中，不少服务器采用的是Linux系统。为了进一步提高服务器的性能，可能需要根据特定的硬件及需求重新编译Linux内核。编译Linux内核，需要根据规定的步骤进行，编译内核过程中涉及到几个重要的文件。比如对于RedHat Linux，在/boot目录下有一些与Linux内核有关的文件，进入/boot执行：ls –l，如图所示。编译过RedHat Linux内核的人对其中的System.map 、vmlinuz、initrd-2.4.7-10.img印象可能比较深刻，因为编译内核过程中涉及到这些文件的建立等操作。那么这几个文件是怎么产生的？又有什么作用呢？本文对此做些介绍。
一、vmlinuz
vmlinuz是可引导的、压缩的内核。“vm”代表“Virtual Memory”。Linux 支持虚拟内存，不像老的操作系统比如DOS有640KB内存的限制。Linux能够使用硬盘空间作为虚拟内存，因此得名“vm”。vmlinuz是可执行的Linux内核，它位于/boot/vmlinuz，它一般是一个软链接，比如图中是vmlinuz-2.4.7-10的软链接。
vmlinuz的建立有两种方式。一是编译内核时通过“make zImage”创建，然后通过：
“cp /usr/src/linux-2.4/arch/i386/linux/boot/zImage /boot/vmlinuz”产生。zImage适用于小内核的情况，它的存在是为了向后的兼容性。二是内核编译时通过命令make bzImage创建，然后通过：“cp /usr/src/linux-2.4/arch/i386/linux/boot/bzImage /boot/vmlinuz”产生。bzImage是压缩的内核映像，需要注意，bzImage不是用bzip2压缩的，bzImage中的bz容易引起误解，bz表示“big zImage”。 bzImage中的b是“big”意思。
zImage（vmlinuz）和bzImage（vmlinuz）都是用gzip压缩的。它们不仅是一个压缩文件，而且在这两个文件的开头部分内嵌有gzip解压缩代码。所以你不能用gunzip 或 gzip –dc解包vmlinuz。
内核文件中包含一个微型的gzip用于解压缩内核并引导它。两者的不同之处在于，老的zImage解压缩内核到低端内存（第一个640K），bzImage解压缩内核到高端内存（1M以上）。如果内核比较小，那么可以采用zImage 或bzImage之一，两种方式引导的系统运行时是相同的。大的内核采用bzImage，不能采用zImage。
vmlinux是未压缩的内核，vmlinuz是vmlinux的压缩文件。
二、 initrd-x.x.x.img
initrd是“initial ramdisk”的简写。initrd一般被用来临时的引导硬件到实际内核vmlinuz能够接管并继续引导的状态。图中的initrd-2.4.7-10.img主要是用于加载ext3等文件系统及scsi设备的驱动。比如，使用的是scsi硬盘，而内核vmlinuz中并没有这个scsi硬件的驱动，那么在装入scsi模块之前，内核不能加载根文件系统，但scsi模块存储在根文件系统的/lib/modules下。为了解决这个问题，可以引导一个能够读实际内核的initrd内核并用initrd修正scsi引导问题。initrd-2.4.7-10.img是用gzip压缩的文件，下面来看一看这个文件的内容，操作步骤如下图所示：
从图中linuxrc这个脚本的内容可以看到，initrd实现加载一些模块和安装文件系统等。
initrd映象文件是使用mkinitrd创建的。mkinitrd实用程序能够创建initrd映象文件。这个命令是RedHat专有的。其它Linux发行版或许有相应的命令。这是个很方便的实用程序。具体情况请看帮助：man mkinitrd
下面的命令创建initrd映象文件：
三、 System.map
System.map是一个特定内核的内核符号表。它是你当前运行的内核的System.map的链接。
内核符号表是怎么创建的呢? System.map是由“nm vmlinux”产生并且不相关的符号被滤出。对于本文中的例子，编译内核时，System.map创建在/usr/src/linux-2.4/System.map。像下面这样：
nm /boot/vmlinux-2.4.7-10 > System.map
下面几行来自/usr/src/linux-2.4/Makefile：
nm vmlinux | grep -v '(compiled)|(.o$$)|( [aUw] )|(..ng$$)|(LASH[RL]DI)' | sort > System.map
然后复制到/boot:
cp /usr/src/linux/System.map /boot/System.map-2.4.7-10
下图是System.map文件的一部分：
在进行程序设计时，会命名一些变量名或函数名之类的符号。Linux内核是一个很复杂的代码块，有许许多多的全局符号。
Linux内核不使用符号名，而是通过变量或函数的地址来识别变量或函数名。比如不是使用size_t BytesRead这样的符号，而是像c0343f20这样引用这个变量。
对于使用计算机的人来说，更喜欢使用那些像size_t BytesRead这样的名字，而不喜欢像c0343f20这样的名字。内核主要是用c写的，所以编译器/连接器允许我们编码时使用符号名，当内核运行时使用地址。
然而，在有的情况下，我们需要知道符号的地址，或者需要知道地址对应的符号。这由符号表来完成，符号表是所有符号连同它们的地址的列表。上图就是一个内核符号表，由上图可知变量名checkCPUtype在内核地址c01000a5。
Linux 符号表使用到2个文件：
/proc/ksyms
System.map
下图是/proc/ksyms的一部分。
/proc/ksyms是一个“proc file”，在内核引导时创建。实际上，它并不真正的是一个文件，它只不过是内核数据的表示，却给人们是一个磁盘文件的假象，这从它的文件大小是0可以看出来。然而，System.map是存在于你的文件系统上的实际文件。当你编译一个新内核时，各个符号名的地址要发生变化，你的老的System.map具有的是错误的符号信息。每次内核编译时产生一个新的System.map，你应当用新的System.map来取代老的System.map。
虽然内核本身并不真正使用System.map，但其它程序比如klogd， lsof和ps等软件需要一个正确的System.map。如果你使用错误的或没有System.map，klogd的输出将是不可靠的，这对于排除程序故障会带来困难。没有System.map，你可能会面临一些令人烦恼的提示信息。
另外少数驱动需要System.map来解析符号，没有为你当前运行的特定内核创建的System.map它们就不能正常工作。
Linux的内核日志守护进程klogd为了执行名称-地址解析，klogd需要使用System.map。System.map应当放在使用它的软件能够找到它的地方。执行：man klogd可知，如果没有将System.map作为一个变量的位置给klogd，那么它将按照下面的顺序，在三个地方查找System.map：
/boot/System.map
/System.map
/usr/src/linux/System.map
System.map也有版本信息，klogd能够智能地查找正确的映象（map）文件。
Makefile分析（2.4内核arm版）
一、内核源码中makefile文件的分类
Linux-roy内核源码中的makefiles（不含动态生成的.flags文件）主要分为以下四类：
1. 主目录下的Makefile（不妨称为main-makefile）
它主要有两个作用：生成vmlinux（内核映像）和modules（模块）。
2. 主目录下的Rules.make
Rules.make中定义通用规则供main-makefile和subdir-makefiles调用。
变量subdir-y为用于构建vmlinux（内核）的目录，变量subdir-m为用于构建modules（模块）的目录；subdir-n和subdir-中的目录将不参加构建工作。
变量obj-y为内核的目标文件列表，在各subdir-y中会对其赋相应的值。如：lib/Makefile的第13-14行。变量obj-m为各模块的目标文件列表，在各subdir-m中会对其赋相应的值。如在drivers/Makefile中，在第13行对subdir-y赋值，并在第14行将此列表复制给subdir-m。从第17行开始对subdir-y和subdir-m进行补充，这两个列表的建立完成。obj-n和obj-中所有的目标将被忽略。
3. arch/*/目录下的Makefile（不妨称为arch-makefiles）
arch-makefiles是与特定的体系结构相关的，它们分别是针对特定CPU的makefiles。
4. 除arch外的子目录下的Makefile（不妨称为subdir-makefiles）
subdir-makefiles只负责在自己的目录中生成目标文件。它们接受来自上层Make传递下来的信息，并根据这些信息来构造一个需要编译的文件列表，并交由Rules.make处理。subdir-makefiles都比较简短，因为通用的规则都已在Rules.make定义了。一般subdir-makefiles的主要工作是对obj-*或subdir-*变量赋值。
二、内核和模块构建的过程
下面分析内核编译的动态过程。
第一步：make ARCH=arm menuconfig
目标menuconfig的定义在main-makefile的第306行。main-makefile的第308行调用Menuconfig 工具（scripts/Menuconfig），让它根据arch/$(ARCH)/config.in文件的内容在主目录下生成.config文件供以后调用（main-makefile的第37行）。
第二步：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- dep
include/linux/autoconf.h根据.config文件生成，其内容是若干#define和#undef宏。这些宏通知编译器哪些组件需要编译而哪些不需要，是编译进内核还是编译成模块。这两个文件中的变量是相互对应的。例如.config的第4行是：
CONFIG_ARM=y
这是编译进内核的情况。相应地，include/linux/autoconf.h的第5行是：
#define CONFIG_ARM 1
编译成模块的例子见.config的第216行：
CONFIG_BINFMT_AOUT=m
相应地，autoconf.h的第217和218行是：
#undef CONFIG_BINFMT_AOUT
#define CONFIG_BINFMT_AOUT_MODULE 1
接下来main-makefile调用split-include工具（scripts/split-include.c）（main-makefile的第314行），分割解析autoconf.h并在include/config目录下生成相应的头文件。autoconf.h的路径通过第一个参数传递给split-include（scripts/split-include.c的第71行）根据刚才提到的autoconf.h的第5行的内容，split-include工具会在include/config/目录下生成arm.h文件，其内容就是一行：
#define CONFIG_ARM 1
include/linux/config.h的第4行嵌入了autoconf.h，而内核源码中很多c文件又嵌入这个config.h（例如kernel/printk.c的第28行），于是间接地嵌入了autoconf.h，可见config.h起到的是一个桥梁的作用。
在这一步骤中，makefile会调用mkdep工具（scripts/mkdep.c）生成两种包含依赖关系的文件：.hdepend和.depend。
.hdepend只有一个，在主目录下，它表示相应的头文件又依赖于哪些其它的头文件。.hdepend是在main-makefile的第496行执行后生成的。如果存在.hdepend文件，Rules.make会嵌入它（Rules.make第295-297行）。
.depend文件有很多，它表示相应的目标文件依赖哪些源文件（*.c）和头文件（*.h）。主目录下的.depend文件是在main-makefile的第497行执行后生成的。mkdep读取*.c文件，分析出其所依赖的文件。下面以mm/page_alloc.c举例。page_alloc.c的第15-23行为（“…”表示省略）：
#include
#include
…
#include
mkdep就会在mm/.depend中的第110-118行中写入：
page_alloc.o: page_alloc.c \
/usr/src/arm-linux/linux-roy/include/linux/mm.h \
…
/usr/src/arm-linux/linux-roy/include/linux/module.h \
但接下来的第119行和上面的写法有些不同：
$(wildcard /usr/src/arm-linux/linux-roy/include/config/discontigmem.h) \
这是因为page_alloc.c中的第244行的内容如下：
#ifndef CONFIG_DISCONTIGMEM
这需要判断discontigmem.h的存在性，而mm目录下的.depend文件的第119行正是起到了这样的作用（若存在则返回文件名，若不存在则返回空）。
第三步：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- clean
目标clean在main-makefile的第444-449行定义，它所清除文件的文件和目录列表（CLEAN_FILES和CLEAN_DIRS）在203-229行被赋值。
第四步：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- zImage
make zImage执行后会生成一个用gzip压缩过的内核。对于arm类型的CPU，目标zImage是在arch/arm/boot/Makefile的第146行定义的。它依赖于compressed/vmlinux。而在第152行，又说明了compressed/vmlinux依赖于主目录下的vmlinux。它的生成规则在main-makefile的第281-289行：
vmlinux: include/linux/version.h $(CONFIGURATION) init/main.o init/version.o \
init/do_mounts.o linuxsubdirs
$(LD) $(LINKFLAGS) $(HEAD) init/main.o init/version.o init/do_mounts.o \
--start-group \
$(CORE_FILES) \
$(DRIVERS) \
$(NETWORKS) \
$(LIBS) \
--end-group \
-o vmlinux
ZLDFLAGS是在arch/arm/boot/Makefile的第14行定义的。如果我们指定CROSS_COMPILE 为arm-linux-，则LD为arm-linux-ld（main-makefile的第29行）。LINKFLAGS在arch/arm/Makefile的第10行定义：
LINKFLAGS :=-p -X -T arch/arm/vmlinux.lds
它指定了链接脚本为arch/arm/vmlinux.lds。
make从主目录Makefile开始执行，从中获得与体系结构无关的变量和依赖关系，并同时从arch-makefiles中获得体系特定的变量等信息，这些信息继承并扩展了主目录Makefile提供的变量。先是所有通过“:=”赋值的变量在这个过程中被赋值，然后是所有通过“=”赋值的变量被赋值（实际上类似于宏替换）。然后，main-makefile向下递归调用子目录中的Makefile，把部分变量传递给子目录Makefile。此时构建内核需要的子目录Makefile根据配置信息决定编译哪些源文件，从而构建出一个需要编译的文件列表。在make zImage的时候make会递归进入列表subdir-y里的目录，根据其定义的编译规则决定这些文件的编译方式。然后，make会根据依赖关系树执行命令，编译生成一系列的目标文件，最后根据vmlinux的生成规则（main-makefile的第281-289行），通过链接脚本把这些目标文件链接成vmlinux（例如arch/arm/Makefile第267行）。
第五步：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- modules
make module用于生成内核模块（modules），它的规则在main-makefile的388-389行定义。在make modules的时候make会递归进入列表subdir-m里的目录。
vmlinux:
第六步：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- INSTALL_MOD_PATH=modules_install
make module用于安装内核模块，它的规则在main-makefile的396行定义。
三、几点说明
main-makefile的第37行是：
MAKEFILES = $(TOPDIR)/.config
MAKEFILES是一个环境变量，如果你的当前环境中定义了MAKEFILES，那么，make会把这个变量中的值做一个类似于include的动作。这个变量中的值是其它的Makefile，用空格分隔。只是，它和include 不同的是，从这个环境变中引入的Makefile 中的目标不会起作用，如果环境变量中定义的文件发现错误，make 也会忽略。子目录中的Makefile与Rules.make都没有嵌入.config文件，它们就是通过main-makefile向下传递MAKEFILES变量得到相关信息的。
在main-makefile的第48-67行所完成的工作是这样的：首先all被定义为第一个目标，然后在55-58行判断.config文件和.depend文件的存在性，如果存在就包含进来。如果.config文件不存在，则把do-it-all设为config（第66行）。目标conifg在第310行定义。如果.config文件存在而.depend文件不存在，则把do-it-all设为depend（第62行）。目标depend在第506行定义。在执行make后，主目录下会生成配置文件.config（如果原来存在.config文件，则被更名为.config.old）。
makemrproper用于重新构建内核，它做的清除工作比make clean更加彻底：除了做makeclean的工作外，还要删除.config，.depend等文件，把核心源码恢复到最原始的状态。它在main-makefile的第451-455行定义，它所清除文件的文件和目录列表（MRPROPER_FILES和MRPROPER_DIRS）在232-256行被赋值。
递归的make 必须使用MAKE变量，而不是直接用make 命令。如main-makefile的第279行：
@$(MAKE) CFLAGS="$(CFLAGS) $(CFLAGS_KERNEL)" -C arch/$(ARCH)/boot
当使用“-C”参数来make下层Makefile时，“-w”参数就会被自动打开，即在处理makefile
之前和之后，显示工作目录，所以在make的时候会看到屏幕上反复出现Entering directory[some dir]和Leaving directory [some dir]。
一对反引号（`）的作用相当于shell函数，里面的内容是系统shell命令（例如main-make的第496行）。
如果在编译的第一步用的是xconfig，则可以参见第302行的定义。在xconfig中，会使用wish程序调用scripts目录下的tk脚本形成图形界面供用户配置。
在编译的第二步中，为什么要通过mkdep和split-include工具，而不是通过gcc加上-MM参数来建立依赖关系呢？上文提到过，很多c源文件都会通过linux/config.h而嵌入autoconf.h，如果按照通常方法建立文件依赖关系(.depend)，只要更新过autoconf.h，就会造成所有源代码的重新编译。为了优化make过程，减少不必要的重新编译，linux开发了专用的mkdep工具，用它来生成.depend文件。配置内核时，split-include会检查旧的子文件的内容，确定是不是要更新它们。这样，不管autoconf.h修改日期如何，只要其配置不变，make就不会重新编译内核。
Rules.make把当前目录下所有的目标文件称为O_TARGET，它的生成规则在第96-102行，最终生成一系列的.o文件；把当前目录下所有的库文件称为L_TARGET，它的生成规则在第114-116行，最终生成一系列的.a文件。注意第62-65行、第104-107行、118-121行、279-282行和304-317行实现了一种增量编译的机制。make每编译一个源文件时会生成一个.flags文件。例如编译mm/swap.c时，会在相同的目录下生成.swap.o.flags文件。它本质上也是Makefile文件，其代码的功能是测试当前的编译选项与上次相比是否作过改动，若改动过就将自己对应的目标文件加入FILES_FLAGS_UP_TO_DATE列表。生成这个文件是供下一次编译用的。下次编译时，当make进入某个子目录，会搜索其中的.flags文件，如果存在则将它们嵌入（第309-312行）。Make会得到FILES_FLAGS_UP_TO_DATE列表，它的内容是不需要更新的目标。于是，系统从编译对象表中删除它们，从而得到FILES_FLAGS_CHANGED列表（第314-317行），这个列表的内容就是需要更新的目标。
Main-makefile的第281-289行起定义vmlinux的生成（链接）规则。vmlinux 是由 HEAD、main.o、version.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS 和 LIBS 组成的。其中，CORE_FILES、NETWORKS、DRIVERS 和LIBS在main-makefile中定义，由 arch-makefiles扩充。而HEAD在arch-makefiles 中定义（例如arch/arm/Makefile的第193行）。HEAD列表中的目标文件需要最先被链接到 vmlinux 中。
链接脚本（*.lds文件）是通过*.lds.in文件生成的，对于arm，就是vmlinux-armo.lds.in。arch/arm/Makefile的第269-274行定义了.lds的生成规则。vmlinux-armo.lds.in实际上是一个链接脚本模板，只不过相关参数没有确定。arch/arm/Makefile的第274行就是完成“填空”工作（为TEXTADDR、DATAADDR等赋上具体的值），并把完整的信息保存到arch/arm/vmlinux.lds中。