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Linux下源码编译安装原理和流程

前言

源码要运行,必须先转成二进制的机器码。这是编译器的任务。

比如,下面这段源码(假定文件名叫做test.c)。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
  fputs("Hello, world!\n", stdout);
  return 0;
}

要先用编译器处理一下,才能运行。

$ gcc test.c
$ ./a.out
Hello, world!

对于复杂的项目,编译过程还必须分成三步。

$ ./configure
$ make  
$ make install

编译过程流程图:

《Linux下源码编译安装原理和流程》

一.编译的具体过程

1. 配置(configure)

编译器在开始工作之前,需要知道当前的系统环境,比如标准库在哪里、软件的安装位置在哪里、需要安装哪些组件等等。这是因为不同计算机的系统环境不一样,通过指定编译参数,编译器就可以灵活适应环境,编译出各种环境都能运行的机器码。这个确定编译参数的步骤,就叫做”配置”(configure)。

这些配置信息保存在一个配置文件之中,约定俗成是一个叫做configure的脚本文件。通常它是由autoconf工具生成的。编译器通过运行这个脚本,获知编译参数。

configure脚本已经尽量考虑到不同系统的差异,并且对各种编译参数给出了默认值。如果用户的系统环境比较特别,或者有一些特定的需求,就需要手动向configure脚本提供编译参数。

$ ./configure --prefix=/www --with-mysql

上面代码是php源码的一种编译配置,用户指定安装后的文件保存在www目录,并且编译时加入mysql模块的支持。

2. 确定标准库和头文件的位置

源码肯定会用到标准库函数(standard library)和头文件(header)。它们可以存放在系统的任意目录中,编译器实际上没办法自动检测它们的位置,只有通过配置文件才能知道。

编译的第二步,就是从配置文件中知道标准库和头文件的位置。一般来说,配置文件会给出一个清单,列出几个具体的目录。等到编译时,编译器就按顺序到这几个目录中,寻找目标。

3. 确定依赖关系

对于大型项目来说,源码文件之间往往存在依赖关系,编译器需要确定编译的先后顺序。假定A文件依赖于B文件,编译器应该保证做到下面两点。

(1)只有在B文件编译完成后,才开始编译A文件。

(2)当B文件发生变化时,A文件会被重新编译。

编译顺序保存在一个叫做makefile的文件中,里面列出哪个文件先编译,哪个文件后编译。而makefile文件由configure脚本运行生成,这就是为什么编译时configure必须首先运行的原因。

在确定依赖关系的同时,编译器也确定了,编译时会用到哪些头文件。

4. 头文件的预编译(precompilation)

不同的源码文件,可能引用同一个头文件(比如stdio.h)。编译的时候,头文件也必须一起编译。为了节省时间,编译器会在编译源码之前,先编译头文件。这保证了头文件只需编译一次,不必每次用到的时候,都重新编译了。

不过,并不是头文件的所有内容,都会被预编译。用来声明宏的#define命令,就不会被预编译。

5. 预处理(Preprocessing)

预编译完成后,编译器就开始替换掉源码中bash的头文件和宏。以本文开头的那段源码为例,它包含头文件stdio.h,替换后的样子如下。

extern int fputs(const char *, FILE *);
extern FILE *stdout;

int main(void)
{
    fputs("Hello, world!\n", stdout);
    return 0;
}

为了便于阅读,上面代码只截取了头文件中与源码相关的那部分,即fputs和FILE的声明,省略了stdio.h的其他部分(因为它们非常长)。另外,上面代码的头文件没有经过预编译,而实际上,插入源码的是预编译后的结果。编译器在这一步还会移除注释。

这一步称为”预处理”(Preprocessing),因为完成之后,就要开始真正的处理了。

6. 编译(Compilation)

预处理之后,编译器就开始生成机器码。对于某些编译器来说,还存在一个中间步骤,会先把源码转为汇编码(assembly),然后再把汇编码转为机器码。

下面是本文开头的那段源码转成的汇编码。

    .file   "test.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "Hello, world!\n"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    stdout(%rip), %rax
    movq    %rax, %rcx
    movl    $14, %edx
    movl    $1, %esi
    movl    $.LC0, %edi
    call    fwrite
    movl    $0, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Debian 4.9.1-19) 4.9.1"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

这种转码后的文件称为对象文件(object file)。

注:make (gcc), 其调用 gcc 执行编译的过程依赖于配置文件makefile

7. 连接(Linking)

对象文件还不能运行,必须进一步转成��执行文件。如果你仔细看上一步的转码结果,会发现其中引用了stdout函数和fwrite函数。也就是说,程序要正常运行,除了上面的代码以外,还必须有stdout和fwrite这两个函数的代码,它们是由C语言的标准库提供的。

编译器的下一步工作,就是把外部函数的代码(通常是后缀名为.lib和.a的文件),添加到可执行文件中。这就叫做连接(linking)。这种通过拷贝,将外部函数库添加到可执行文件的方式,叫做静态连接(static linking),后文会提到还有动态连接(dynamic linking)。

make命令的作用,就是从第四步头文件预编译开始,一直到做完这一步。

8. 安装(Installation)

上一步的连接是在内存中进行的,即编译器在内存中生成了可执行文件。下一步,必须将可执行文件保存到用户事先指定的安装目录。

表面上,这一步很简单,就是将可执行文件(连带相关的数据文件)拷贝过去就行了。但是实际上,这一步还必须完成创建目录、保存文件、设置权限等步骤。这整个的保存过程就称为”安装”(Installation)。

9. 操作系统连接

可执行文件安装后,必须以某种方式通知操作系统,让其知道可以使用这个程序了。比如,我们安装了一个文本阅读程序,往往希望双击txt文件,该程序就会自动运行。

这就要求在操作系统中,登记这个程序的元数据:文件名、文件描述、关联后缀名等等。Linux系统中,这些信息通常保存在/usr/share/applications目录下的.desktop文件中。另外,在Windows操作系统中,还需要在Start启动菜单中,建立一个快捷方式。

这些事情就叫做”操作系统连接”。make install命令,就用来完成”安装”和”操作系统连接”这两步。

10. 生成安装包

写到这里,源码编译的整个过程就基本完成了。但是只有很少一部分用户,愿意耐着性子,从头到尾做一遍这个过程。事实上,如果你只有源码可以交给用户,他们会认定你是一个不友好的家伙。大部分用户要的是一个二进制的可执行程序,立刻就能运行。这就要求开发者,将上一步生成的可执行文件,做成可以分发的安装包。

所以,编译器还必须有生成安装包的功能。通常是将可执行文件(连带相关的数据文件),以某种目录结构,保存成压缩文件包,交给用户。

11. 动态连接(Dynamic linking)

正常情况下,到这一步,程序已经可以运行了。至于运行期间(runtime)发生的事情,与编译器一概无关。但是,开发者可以在编译阶段选择可执行文件连接外部函数库的方式,到底是静态连接(编译时连接),还是动态连接(运行时连接)。所以,最后还要提一下,什么叫做动态连接。

前面已经说过,静态连接就是把外部函数库,拷贝到可执行文件中。这样做的好处是,适用范围比较广,不用担心用户机器缺少某个库文件;缺点是安装包会比较大,而且多个应用程序之间,无法共享库文件。动态连接的做法正好相反,外部函数库不进入安装包,只在运行时动态引用。好处是安装包会比较小,多个应用程序可以共享库文件;缺点是用户必须事先安装好库文件,而且版本和安装位置都必须符合要求,否则就不能正常运行。

现实中,大部分软件采用动态连接,共享库文件。这种动态共享的库文件,Linux平台是后缀名为.so的文件,Windows平台是.dll文件,Mac平台是.dylib文件。

二、Linux编译安装的具体实现

1.编译安装源程序的前提:

1).提供开发环境:开发工具和开发库

2).编译安装需要的包组:

Development Tools、Server Platform Development、Desktop Platform Development、Debug Tools

2.configure脚本常用的选项:

--help获取./configure脚本帮助
--prefix=: 指定安装路径;多数程序都有默认安装路径;
--sysconfidr=: 指定配置文件安装路径;
--with-PACKAGE[=ARG]:在自由软件社区里,有使用已有软件包和库的优秀传统.当用'configure'来配置一个源码树时,
可以提供其他已经安装的软件包的信息
--without-PACKAGE:有时候你可能不想让你的软件包与系统已有的软件包交互。例如,你可能不想让你的新编译器使用
GNU ld
--enable-FEATURE:一些软件包可能提供了一些默认被禁止的特性,可以使用'--enable-FEATURE'来起用它
--disable-EEATURE:关闭指定的默认特性

3.编译安装源程序方法:

1)、展开源代码,找INSTALL、README;不存在此类文件时,找项目官方文档;

2)、根据安装说明执行安装操作;

3.程序安装于专用目录时,安装后的配置:

1)、导出二进制程序所在路径至PATH环境中

# export PATH=/usr/local/nginx/sbin:$PATH

实现永久有效的办法:
                /etc/profile.d/*.sh

2)、导出库文件给OS

OS查找库文件方法:根据/etc/ld.so.conf配置文件指定的路径搜索,或搜索/lib, /lib64, /usr/lib, /usr/lib64,把查找到的所有的库文件路径和其名称映射关系保存为一个缓存文件/etc/ld.so.cache;

/etc/ld.so.conf配置文件有其它组成部分:/etc/ld.so.conf.d/*.conf

假设nginx安装于/usr/local/nginx,此目录中有其库文件子目录lib,导出此目录中库文件:

(1)新建文件/etc/ld.so.conf.d/nginx.conf,在文件添加如下行:

/usr/local/nginx/lib

(2) 运行命令:ldconfig

ldconfig的主要用途:

默认搜寻/lilb和/usr/lib,以及配置文件/etc/ld.so.conf内所列的目录下的库文件。

搜索出可共享的动态链接库,库文件的格式为:lib***.so.**,进而创建出动态装入程序(ld.so)所需的连接和缓存文件。

缓存文件默认为/etc/ld.so.cache,该文件保存已排好序的动态链接库名字列表。

ldconfig通常在系统启动时运行,而当用户安装了一个新的动态链接库时,就需要手工运行这个命令。

常用选项:

-v: 用此选项时,ldconfig将显示正在扫描的目录及搜索到的动态链接库,还有它所创建的连接的名字.
-p: 显示当前OS已经加载到的所有库文件名称及其文件所在路径的映射关系;

ldconfig需要注意的地方:

(a)、往/lib和/usr/lib里面加东西,是不用修改/etc/ld.so.conf文件的,但是添加完后需要调用下ldconfig,不然添加的library会找不到。

(b)、如果添加的library不在/lib和/usr/lib里面的话,就一定要修改/etc/ld.so.conf文件,往该文件追加library所在的路径,然后也需要重新调用下ldconfig命令。比如在安装mysql的时候,其库文件/usr/local/mysql/lib,就需要追加到/etc/ld.so.conf文件中。命令如下:

# echo "/usr/local/mysql/lib" >> /etc/ld.so.conf

# ldconfig -v | grep mysql

(c)、如果添加的library不在/lib或/usr/lib下,但是却没有权限操作写/etc/ld.so.conf文件的话,这时就需要往export里写一个全局变量LD_LIBRARY_PATH,就可以了。

(3)、帮助文件导出

man命令搜索特定路径查找手册页文件,这些路径是定义在/etc/man.config中的MANPATH参数所指定的路径下的;

新增办法:编辑/etc/man.config文件,新增一个MANPATH参数,其值为新安装程序的man手册所在的目录;

            /usr/local/nginx/share/man/{man1,man8}

            man -M /path/to/man KEYWORD

(4)、头文件导出

有些程序安装后会生成对自己拥有库文件调用接口相关头文件系统查找头文件的路径为/usr/include

导出独立安装应用程序的头文件方法:创建链接至/usr/include下即可;

例如:

/usr/local/nginx/include
# ln -sv /usr/local/nginx/include/* /usr/include/
# ln -sv /usr/local/nginx/include /usr/include/nginx

perl源程序的编译安装方法:

    (1) perl Makefile.in
    (2) make
    (3) make install

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