LFS構造原理分析論文

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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，lfs就是一種流行的從源代碼構建Linux的一種方法。本文分析該方法的構建原理，重點分析了Binutils、Gcc和Glibc在構建過程種編譯多次的原因。

關鍵詞：定制LFSBinutilsGccGlibc

一、引言

Linux是和Unix很相似的一種操作系統，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操作系統，是一個優秀的應用軟件開發平臺。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,那就是Linux可以提供無限寬廣的技術發揮的自由空間。在購買到Linux之后得到的不僅僅是一個操作系統，還得到了系統的源代碼。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)。只要按照通用公共許可證(GeneralPublicLicense)的要求，即可以無償地自由采用，改進，發展。這也正是Linux發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成的發行版，要想對Linux完全滿意，必須從頭構建自己的系統。本文的LFS正是構造Linux的一個方法。

二、LFS及其特點

LFS是LinuxFromScratch的縮寫。"FromScratch"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"LinuxFromScratch"本質上不應當理解為一個Linux發行版名稱。它最貼切的含義應當是一種"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。

使用現有的Linux系統來開發自己定制的系統，這個"完美的"Linux系統將擁有各種發行版的優點而沒有它們的缺點。用戶可以控制系統的所有特征，包括目錄布局、腳本設置和安全設置等等。最終的系統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凑兆约旱男枨蠖ㄖ芁inux系統，而且對系統有更多的控制權。

三、LFS的好處

LFS存在的一個重要原因是可以幫助人們學習Linux系統內部是如何工作的。構建一個LFS系統會幫助演示是什么使Linux運轉，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習可以獲得完全根據自己的需求定制Linux系統的能力。

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

LFS的另一個好處是可以創建一個非常小巧的Linux系統。當安裝一個常規的發行版時，人們經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系統的另一個好處是安全性。通過從源碼編譯整個系統，你能夠審查任何東西，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。除非是你發現并制作補丁，否則你無法確保新的二進制包被正確編譯并修正了問題。

四、LFS的構造原理

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

臨時編譯環境其實也相當于一個小的Linux系統。只不過這個系統將僅包含必要的工具，能夠構建最終的LFS系統。構建這個小系統分兩步進行，第一步是構建一個新的不依賴于宿主系統的工具鏈(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，用于分配內存、搜索目錄、打開關閉文件、讀寫文件、字串處理、模式匹配、數學計算等等。其它的工具必須在他們的基礎上建立。所以在下面講解的過程主要圍繞著這三個工具的安裝，以及工具鏈的調整為主。那么如何來創建一個這樣的編譯環境呢？那就需要一個現成的系統，稱它為宿主系統。現在總體的思路就是在宿主系統創建一個臨時的環境，可以chroot到這個環境，在該環境的基礎上構建一個干凈、沒有問題的LFS系統。為了盡量的與宿主系統分開，所以要創建一個自包含、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）。在構建過程中應注意以下幾點：

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連接器。

下面看看具體時如何實現的。

為了創建一個干凈的工作環境，在宿主系統中新創建一個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的環境。毫無疑問現在利用Binutils生成的程序會受到宿主系統的影響。例如：使用生成的ld（標準連接器）程序將會連接到默認的/lib目錄（宿主系統）下的二進制文件。

然后編譯Gcc，仍然需要宿主系統的環境。顯然Gcc也受宿主系統的影響，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）下的動態連接器，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。現在我們將bintuils、Gcc和Glibc都重新編譯了一次。接下來就要通過調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下的函數庫。二是調整動態連接器，修改Gcc的SPEC文件，將動態連接器連接到/tools/lib/ld-Linux.so.2（ld-Linux.so.2是動態連接器的名字）。

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和現在生成的bintuils、Gcc來編譯其它的工具，整個臨時環境才搭建成功。

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？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。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，在前面的調整中我們將工具鏈使用的庫從宿主系統轉向新安裝的庫目錄。同樣，現在將工具鏈所使用的庫從臨時的庫轉向LFS系統最終的庫目錄。

系統中的其它軟件都是由最新編譯的Binutils、Gcc和Glibc編譯的。最后就是經過配置一些簡單的系統啟動腳本、創建fstab文件、編譯內核并安裝引導程序，最終的LFS系統就可以啟動了。

五、LFS的擴展

通過上面的分析總結大致的過程：通過宿主系統搭建了臨時的工具鏈，然后通過工具鏈構建了最終的目標系統LFS。將LFS建成以后，就可以脫離臨時編譯環境。本文所說的編譯都是相同的平臺，前面也提到構造臨時編譯環境的原理與交叉編譯環境相似，結合我們搭建交叉編譯環境的過程，如果我們搭建的臨時工具鏈是一個交叉編譯環境，最終就應該可以實現一個跨平臺的目標系統。當然具體的細節問題還需要進一步探討。

六、小結

直接從源代碼構建Linux操作系統，不僅能夠定制自己理想的操作系統，更重要的通過構造LFS能夠加強我們了解Linux內部是如何工作。對于有志研究Linux系統的人，學習這個構造方法很有必要。同時，我們應該抓住開放源代碼的機遇，認真研究，同時做出自己的貢獻，推進其發展。

參考文獻

[1]王景中．Linux安全最大化．電子工業出版社.2000.5.P3．

[2]GerardBeekmans.．

[3]/．換個角度看LFS——反向分析LFS.2006.6．

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