LFS構(gòu)造原理的分析

摘 要：隨著Linux用戶的增加，越來越多的人愿意自己定制自己的操作系統(tǒng)，LFS就是一種流行的從源代碼構(gòu)建Linux的一種。本文該方法的構(gòu)建原理，重點分析了Binutils、Gcc和Glibc在構(gòu)建過程種編譯多次的原因。

關(guān)鍵詞：定制 LFS Binutils Gcc Glibc
一、引言

Linux 是和 Unix很相似的一種操作系統(tǒng)，具有Unix的全部特征，并和POSIX兼容。它是一個真正的多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，是一個優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺。Linux最大的特點是它是自由的,這種自由有雙重含義。一方面, Linux的自由的意義是它是免費的,不必花費成本就可以得到它。Linux自由還有另一個重要的體現(xiàn),那就是Linux 可以提供無限寬廣的技術(shù)發(fā)揮的自由空間。在購買到Linux之后得到的不僅僅是一個操作系統(tǒng)，還得到了系統(tǒng)的源代碼。這樣如果不喜歡Linux 的工作方式,就可以改變它(不僅僅是做微小的改動,你甚至可以安裝你的需求去改動整個操作系統(tǒng))。只要按照通用公共許可證(General Public License)的要求，即可以無償?shù)刈杂刹捎茫�改進，。這也正是Linux發(fā)展如此迅速的一個原因。

開放源代碼，也使越來越多的人不甘于使用現(xiàn)成的發(fā)行版，要想對Linux完全滿意，必須從頭構(gòu)建自己的系統(tǒng)。本文的LFS正是構(gòu)造Linux的一個方法。

二、LFS及其特點

LFS是Linux From Scratch的縮寫。"From Scratch"是一個詞組，它的意思是"從零做起，白手起家，從無到有"的意思，因此"Linux From Scratch"本質(zhì)上不應(yīng)當理解為一個Linux發(fā)行版名稱。它最貼切的含義應(yīng)當是一種"方法/思想"：一切從源代碼開始的方法/思想。如果把 LFS 比作建筑房子，那么LFS 提供房子的框架藍圖，但是需要你自己建造它。

使用現(xiàn)有的 Linux 系統(tǒng)來開發(fā)自己定制的系統(tǒng)，這個"完美的"Linux 系統(tǒng)將擁有各種發(fā)行版的優(yōu)點而沒有它們的缺點。用戶可以控制系統(tǒng)的所有特征，包括目錄布局、腳本設(shè)置和安全設(shè)置等等。最終的系統(tǒng)將從源代碼直接編譯生成，用戶可以指定在哪里安裝、為什么安裝以及怎樣安裝每一個程序�？赏耆�按照自己的需求定制Linux 系統(tǒng)，而且對系統(tǒng)有更多的控制權(quán)。

三、LFS的好處

LFS 存在的一個重要原因是可以幫助人們 Linux 系統(tǒng)內(nèi)部是如何工作的。構(gòu)建一個 LFS 系統(tǒng)會幫助演示是什么使 Linux 運轉(zhuǎn)，各種組件如何在一起互相依賴的工作。最好的事情是通過這種學(xué)習(xí)可以獲得完全根據(jù)自己的需求定制 Linux 系統(tǒng)的能力。

LFS 的一個關(guān)鍵的好處是它讓用戶對于系統(tǒng)有更多的控制，而不是依賴于他人的 Linux 實現(xiàn)。在 LFS 的世界里，你自己坐在司機的位置，掌控系統(tǒng)的每一個細節(jié)。

LFS 的另一個好處是可以創(chuàng)建一個非常小巧的 Linux 系統(tǒng)。當安裝一個常規(guī)的發(fā)行版時，人們經(jīng)常要被迫安裝一些可能永遠不會用到的程序。這些程序浪費寶貴的磁盤空間，更糟的是占用 CPU 資源。自己定制 Linux 系統(tǒng)的另一個好處是安全性。通過從源碼編譯整個系統(tǒng)，你能夠?qū)彶槿魏螙|西，打上所有的安全補丁，而不需要等待別人編譯好修補安全漏洞的二進制包。除非是你發(fā)現(xiàn)并制作補丁，否則你無法確保新的二進制包被正確編譯并修正了。

四、LFS的構(gòu)造原理

要基于源代碼的方式來編譯整個系統(tǒng),那首先要解決的就是工具鏈的問題，即需要一個編譯環(huán)境。所以構(gòu)造LFS系統(tǒng)分兩大步：一是構(gòu)造一個臨時的編譯環(huán)境；二是構(gòu)建LFS系統(tǒng)。

臨時編譯環(huán)境其實也相當于一個小的 Linux 系統(tǒng)。只不過這個系統(tǒng)將僅包含必要的工具，能夠構(gòu)建最終的LFS系統(tǒng)。構(gòu)建這個小系統(tǒng)分兩步進行，第一步是構(gòu)建一個新的不依賴于宿主系統(tǒng)的工具鏈(編譯器、匯編器、連接器、庫文件以及一些有用的軟件)，第二個步驟是利用這個工具鏈去構(gòu)建其它基本的工具。

在工具鏈中最基本的是：Binutils、GCC和Glibc。Binutils 是一組開發(fā)工具，包括連接器，匯編器和其它用于目標文件和檔案的工具。GCC 軟件包包含 GNU 編譯器，其中有 C 和 C++ 編譯器。 Glibc 包含了主要的C庫。這個庫提供了基本的例程，用于分配內(nèi)存、搜索目錄、打開關(guān)閉文件、讀寫文件、字串處理、模式匹配、數(shù)學(xué)等等。其它的工具必須在他們的基礎(chǔ)上建立。所以在下面講解的過程主要圍繞著這三個工具的安裝，以及工具鏈的調(diào)整為主。


那么如何來創(chuàng)建一個這樣的編譯環(huán)境呢？那就需要一個現(xiàn)成的系統(tǒng)，稱它為宿主系統(tǒng)�，F(xiàn)在總體的思路就是在宿主系統(tǒng)創(chuàng)建一個臨時的環(huán)境，可以chroot到這個環(huán)境，在該環(huán)境的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個干凈、沒有的LFS系統(tǒng)。為了盡量的與宿主系統(tǒng)分開，所以要創(chuàng)建一個自包含、自依賴的工具鏈。由于這里的工具鏈只起臨時作用，在完成LFS后可以將其剝離，所以可將編譯的所有文件都放在同一個文件中（$LFS/tools）。在構(gòu)建過程中應(yīng)注意以下幾點：

1．這個過程在原理上與交叉編譯類似，通過把工具安裝在同一個目錄(使用相同的“prefix”)中以便協(xié)同工作，還利用了一點 GNU 的 “magic”。

2．小心處理標準連接器的庫文件搜索路徑，確保程序僅連接到指定的庫上。

3．小心處理 Gcc 的 specs 文件，告訴編譯器要使用哪個動態(tài)連接器。

下面看看具體時如何實現(xiàn)的。

為了創(chuàng)建一個干凈的工作環(huán)境，在宿主系統(tǒng)中新創(chuàng)建一個lfs用戶組，并添加了lfs用戶，在安裝過程中將一直使用該用戶。

首先編譯Binutils ，這時是使用宿主系統(tǒng)的環(huán)境。毫無疑問現(xiàn)在利用Binutils生成的程序會受到宿主系統(tǒng)的。例如：使用生成的ld（標準連接器）程序?qū)�會連接到默認的/lib目錄（宿主系統(tǒng)）下的二進制文件。

然后編譯Gcc，仍然需要宿主系統(tǒng)的環(huán)境。顯然Gcc也受宿主系統(tǒng)的影響，這可以從它的編譯來看，它依賴的是宿主的Glibc，而Binutils可以使用剛生成的。Glibc提供了動態(tài)連接器，用來找到并加載一個程序運行時所需的共享庫，在做好程序運行的準備之后，運行這個程序。此時生成的Gcc會使用/lib（宿主系統(tǒng)）下的動態(tài)連接器，而不是$LFS/tools/lib下的。

通過上面兩步，我們就可以使用剛生成的bintuils和Gcc來編譯Glibc了。現(xiàn)在我們將bintuils、Gcc和Glibc都重新編譯了一次。接下來就要通過調(diào)整工具鏈來解決剛提到的兩個問題。一是重新編譯ld，將ld連接到$LFS/tools/lib下的函數(shù)庫。二是調(diào)整動態(tài)連接器，修改Gcc的SPEC文件，將動態(tài)連接器連接到/tools/lib/ld-Linux.so.2（ld-Linux.so.2是動態(tài)連接器的名字）。

到這里看似可以編譯其它的工具了，但是接下來的工作并不是如此，而是再次編譯了bintuils和Gcc，然后用第一次生成的`Glibc和現(xiàn)在生成的bintuils、Gcc來編譯其它的工具，整個臨時環(huán)境才搭建成功。

這里有個問題是為什么要將Bintuils和Gcc編譯兩次，可以直接用宿主系統(tǒng)？第一次編譯bintuils和Gcc的目的一方面是為了編譯Glibc；另一方面是為了能自己編譯出第二遍的Gcc，即使得Gcc是自我編譯的。如果直接使用宿主系統(tǒng)可以滿足編譯Glibc的要求，但是Gcc就不是自我編譯了。這里為了保證制造的正確性以及使Gcc是自我編譯，所以Binutils和Gcc比其它的工具都多編譯一次。

接下面其它工具的編譯都是使用第二次編譯的Binutils和Gcc以及第一次編譯的Glibc。至此，工具鏈就準備好了，我們可以利用這些工具生成最終的系統(tǒng)。同樣最先生成的軟件還是Binutils和Gcc，不過在編譯它們之前，我們先編譯出Glibc，它也是我們最終需要的C庫。再次調(diào)整工具鏈，讓隨后編譯的工具都連接到這個庫上。不難理解，在前面的調(diào)整中我們將工具鏈使用的庫從宿主系統(tǒng)轉(zhuǎn)向新安裝的庫目錄。同樣，現(xiàn)在將工具鏈所使用的庫從臨時的庫轉(zhuǎn)向LFS系統(tǒng)最終的庫目錄。

系統(tǒng)中的其它軟件都是由最新編譯的Binutils、Gcc和Glibc編譯的。最后就是經(jīng)過配置一些簡單的系統(tǒng)啟動腳本、創(chuàng)建fstab文件、編譯內(nèi)核并安裝引導(dǎo)程序，最終的LFS系統(tǒng)就可以啟動了。

五、LFS的擴展

通過上面的大致的過程：通過宿主系統(tǒng)搭建了臨時的工具鏈，然后通過工具鏈構(gòu)建了最終的目標系統(tǒng)LFS。將LFS建成以后，就可以脫離臨時編譯環(huán)境。本文所說的編譯都是相同的平臺，前面也提到構(gòu)造臨時編譯環(huán)境的原理與交叉編譯環(huán)境相似，結(jié)合我們搭建交叉編譯環(huán)境的過程，如果我們搭建的臨時工具鏈是一個交叉編譯環(huán)境，最終就應(yīng)該可以實現(xiàn)一個跨平臺的目標系統(tǒng)。當然具體的細節(jié)問題還需要進一步探討。

六、小結(jié)

直接從源代碼構(gòu)建Linux操作系統(tǒng)，不僅能夠定制自己理想的操作系統(tǒng)，更重要的通過構(gòu)造LFS能夠加強我們了解Linux內(nèi)部是如何工作。對于有志Linux系統(tǒng)的人，這個構(gòu)造很有必要。同時，我們應(yīng)該抓住開放源代碼的機遇，認真研究，同時做出自己的貢獻，推進其。



[1] 王景中． Linux安全最大化．出版社.2000.5.P3．

[2] Gerard Beekmans. http://www.linuxfromscratch.org．

[3] http://youbest.cublog.cn/ ．換個角度看LFS——反向分析LFS. 2006.6．

[4] http://www.linuxsir.org/bbs/showthread.php?t=240687. LFS (版本6.1.1) 安裝心得．