深度解析linux内核模块编译makefile

原创 2023-10-22 11:11:33 3.6k 阅读 AI写同款

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Linux内核模块Makefile深度解析：从基础语法到企业级工程实践 Makefile作为构建系统的核心配置文件，定义了软件编译、链接和安装的规则。在Linux内核开发领域，Kbuild系统通过一套标准化的Makefile语法和变量，实现了内核与模块的高效协同构建。其技术价值在于确保模块与内核版本的ABI兼容性，并支持跨版本、跨架构的复杂编译场景。对于内核模块开发者而言，掌握obj-m、KERNELDIR、ccflags-y等核心变量的正确用法，理解make -C与M=参数的委托编译机制，是解决编译失败、处理模块依赖和实现条件编译的关键。本文聚焦于Linux内核模块Makef 阅读详情

AI摘要

本文详细介绍了Linux内核开发中可加载模块的makefile编写，包括最简单的makefile示例，makefile中关键部分如obj-m和obj-y的解释，以及内核头文件和编译流程。重点强调了编写内核模块仅需内核头文件和Makefile，无需内核源码。

linux内核可加载模块的makefile

在开发linux内核驱动时，免不了要接触到makefile的编写和修改，尽管网上的makefile模板一大堆，做一些简单的修改就能用到自己的项目上，但是，对于这些基础的东西，更应该做到知其然并知其所以然。

linux内核使用的是kbuild编译系统，在编译可加载模块时，其makefile的风格和常用的编译C程序的makefile有所不同，尽管如此，makefile的作用总归是给编译器提供编译信息。

最简单的makefile

我们先来看看一个最简单的makefile是怎样的：

obj-m+=hello.o
    all:
            make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules
    clean:
            make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) clean

这个makefile的作用就是编译hello.c文件，最终生成hello.ko文件。

obj-m+=hello.o
obj-m表示编译生成可加载模块。相对应的，obj-y表示直接将模块编译进内核。obj-m和obj-y是GNU make 提供的扩展语法，并不是gcc的通用语法。

可以看到，这里并没有输入hello.c源文件，熟悉makefile的人应该知道，这得益于makefile的自动推导功能，需要编译生成filename.o文件而没有显示地指定filename.c文件位置时，make查找filename.c是否存在，如果存在就正常编译，如果不存在，则报错。

obj-m+=hello.o，这条语句就是显式地将hello.o编译成hello.ko,而hello.o则由make的自动推导功能编译hello.c文件生成。

all，clean
all，clean这一类的是makefile中的伪目标，伪目标并不是一个真正的编译目标，它代表着一系列你想要执行的命令集合，通常一个makefile会对应多个操作，例如编译，清除编译结果，安装，就可以使用这些伪目标来进行标记。在执行时就可以键入：

make clean
make install

等指令来完成相应的指令操作，当make后不带参数时，默认执行第一个伪目标的操作。

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules
标准的make指令是这样的：make -C $KDIR M=$PWD [target]，下面分别介绍每个字段的含义。

-C选项：此选项指定内核源码的位置，make在编译时将会进入内核源码目录，执行编译，编译完成时返回。在读取 Makefile 或执行任何其他操作之前更改为目录 dir。
$KDIR：/lib/modules/$(shell uname -r)/build/，指定内核源码（其实并不需要内核源码，需要的是目标机的内核头文件）的位置。

直接在目标板上编译时，内核头文件默认存放在/lib/modules/$(shell uname -r)/build/中，这个build/目录是一个软连接，链接到源码头文件的安装位置。而内核真正的源码库则直接引用正在运行的内核镜像。

由上面我们可以知道make -C 就是到 /usr/src/linux-headers-5.13.0-52-generic提供的目录下去找Makefile.
那就让我们看看 /usr/src/linux-headers-5.13.0-52-generic目录下是啥：

该目录下的文件是内核头文件，注意这不是内核源码，同时我们也看到了内核头文件中的顶层Makefile，make实际执行的就是内核头文件的顶层 Makefile。

内核头文件下的各个目录基本都只有Kconfig和Makefile文件：

我们注意到每个内核版本都有一个带 -generic 和不带 -generic 的内核头文件，对于同一版本内核的这两个文件夹都只是头文件，并不是源代码。

带有 -generic 的目录里面均是指向不带 -generic 文件夹内容的符号链接：

注意：编写内核模块不需要内核源码，只需要内核头文件即可。
下载内核源码，上面我们看到/usr/src/目录下都只是不同版本的内核头文件，我们可以通过命令下载内核源码：sudo apt-get install linux-source
我这里下载 linux-source-5.4.0：sudo apt-get install linux-source-5.4.0

删除源码：

sudo apt-get remove linux-source-5.4.0

当跨平台编译时，就需要指定相应的内核源码目录，而不是系统中的源码目录，但是交叉编译时，需不需要指定架构平台和交叉编译工具链呢？我们接着往下看;

M=$(PWD)：需要编译的模块源文件地址，M= 选项使 makefile 在试图建立模块目标前, 回到你的模块源码目录。
[target]：modules，事实上，这是个可选选项。默认行为是将源文件编译并生成内核模块，即module(s)，但是它还支持以下选项：

modules_install:安装这个外部模块，默认安装地址是/lib/modules/$(uname -r)/extra/，同时可以由内建变量INSTALL_MOD_PATH指定安装目录
clean:卸载源文件目录下编译过程生成的文件，在上文的makefile最后一行可以看到。
help：帮助信息

更多选项

编译多个源文件

hello_world总是简单的，但是在实际开发中，就会出现更复杂的情况，这时候就需要了解更多的makefile选项：

首先，当一个.o目标文件的生成依赖多个源文件时，显然make的自动推导规则就力不从心了(它只能根据同名推导，比如编译filename.o，只会去查找filename.c)，我们可以这样指定：

obj-m  += hello.o
    hello-y := a.o b.o hello_world.o

hello.o目标文件依赖于a.o,b.o,hello_world.o,那么这里的a.o和b.o如果没有指定源文件，根据推导规则就是依赖源文件a.c,b.c,hello_world.c.
除了hello-y，同时也可以用hello-objs,实现效果是一样的。

同时编译多个可加载模块
kbuild支持同时编译多个可加载模块，也就是生成多个.ko文件，它的格式是这样的：

obj-m := foo.o bar.o
    foo-y := <foo_srcs>
    bar-y := <bar_srcs>

就是这么简单。

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
通常，标准的makefile会写成这样：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
    obj-m  := hello.o
else
    KDIR ?= /lib/modules/`uname -r`/build
 
    all:
            $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
    clean:
            $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
endif

为什么要添加一个ifneq，else，all条件判断。

这得从linux内核模块make执行的过程说起：当键入make时，make在当前目录下寻找makefile并执行，KERNELRELEASE在顶层的makefile中被定义，所以在执行当前makefile时KERNELRELEASE并没有被定义，走else分支，直接执行。

$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
而这条指令会进入到$(KDIR)目录，调用顶层的makefile，在顶层makefile中定义了KERNELRELEASE变量.

在顶层makefile中会递归地再次调用到当前目录下的makefile文件，这时KERNELRELEASE变量已经非空，所以执行if分支，在可加载模块编译列表添加hello模块，由此将模块编译成可加载模块放在当前目录下。

归根结底，各级子目录中的makefile文件的作用就是先切换到顶层makefile，然后通过obj-m在可加载模块编译列表中添加当前模块，kbuild就会将其编译成可加载模块。

如果是直接编译整个内核源码，就省去了else分支中进入顶层makefile的步骤。

需要注意的一个基本概念是：每一次编译，顶层makefile都试图递归地进入每个子目录调用子目录的makefile，只是当目标子目录中没有任何修改时，默认不再进行重复编译以节省编译时间。

这里同时解决了上面的一个疑问：既然是从顶层目录开始编译，那么只要顶层目录中指定了架构(ARCH)和交叉编译工具链地址(CROSS_COMPILE)，各子目录中就不再需要指定这两个参数。

头文件的放置
当编译的目标模块依赖多个头文件时，kbuild对头文件的放置有这样的规定：