图源：
认识内核与获取源码
什么是系统内核
所有需要让计算机完成的功能，都需要内核支持才行。
内核的本质是一个大型程序，可以在编译后加载到内存中执行，进而加载各种驱动和模块，驱动主机的相关硬件，然后对系统中的其它软件提供相应的功能。
为了节省空间，编译后的内核通常会被压缩成一个内核文件，使用的时候再被解压到内存中。一个Linux主机上可以有多个内核文件，可以在启动的时候选择其中一个用于加载系统。当然也可以通过grub2等boot loader进行多重引导。
前面说过了，内核需要编译后才能使用（执行），而编译自然需要相应的源代码，一般称为内核源码。
默认情况下我们安装的Linux发行版是不会附带内核源码的，如果要安装源码就要去Linux发行版的官网下载安装对应的内核SRMP文件。而如果想安装其它版本的内核，可以直接从网上下载相应的内核源码Tarball，解压后进行内核编译，然后通过grub2进行引导就可以使用了。
更新内核的目的
通常来说，我们不太需要对内核进行频繁编译，而且一般来说Linux发行版自带的编译好的内核就能满足我们日常的需要。只有当出现以下几种情况的时候你可能才需要编译内核：
-
新功能的需求
内核是频繁更新的，随着更新会逐渐加入一些新功能和特性，如果你想使用新版本内核加入的功能，或者是你有新的硬件要使用，但新硬件无法被旧版本的内核识别或加载，那你就可能需要进行内核编译。
-
需要精简内核
Linux发行版附带的默认内核是针对大部分人的使用情况来设置的，所以在极个别特殊情况下可能会显得很“臃肿”，比如你要安装的目标硬件是嵌入式设备，硬件水平有限，需要节省内存或者磁盘，那你可能需要重新编译内核，以去除不需要的功能来精简内核。
-
与硬件搭配的稳定性
Linux发行版附带的默认内核大多数是针对Intel的CPU设置的，如果你的CPU是其它型号，比如AMD或ARM，有可能会运行的不是很完美，此时你可以对内核源码的设置进行调整，专门对你的特异CPU进行优化后重新编译内核。
内核版本
如要要查看当前使用的内核版本：
[icexmoon@xyz ~]$ uname -r
3.10.0-1160.el7.x86_64
CentOS 7使用3.10.x作为长期维护版本，所以升级内核的话最好使用3.10.x版本的内核，比如3.10.89。
当然你也可以不遵守上边的限制，直接使用最新的5.x.x版本内核，但是跨越大版本升级内核可能出现一些无法解决的问题。
获取内核源码
通过Linux发行版官网获取
如果要获取当前使用的Linux发行版的默认内核对应的源码，最好的方式是通过其官网获取：
CentOS官网提供源码的页面是：https://vault.centos.org/。
寻找对应的CentOS版本（我这里是7.9.2009），然后查找到updates目录，然后往下找.src.rpm文件，最终我找到的是这个页面：https://vault.centos.org/7.9.2009/updates/Source/SPackages/：
有多个SRPM文件，其中kernel.xxx就是内核的SRMP包，应该就是我当前使用的内核对应的SRPM包，其它类似应该是小版本更新后的SRPM包。
下载SRPM包后进行解包，就能获取相应的内核源码。
获取最新的内核源码
Linux内核一直都是由Linux创始人Linus所属的团队在负责开发维护，其发布内核的官网是：
具体提供所有Linux内核源码的地址是：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/
如果访问速度不快，可以使用其它镜像站，这里找到一个中科大的Linux用户协会网站：
该网站提供Linux相关资源的镜像站，内核的下载网址是：
除了内核，还有其它很多Linux资源镜像。
使用patch升级
之前在在中介绍过怎么使用.patch文件来升级软件。如果你已经有某个版本的内核源码了，也可以使用这种方式进行升级，不过需要注意的是需要按照版本顺序依次使用.path文件升级，比如你当前内核版本是5.8.1，使用patch-5.8.2可以升级到5.8.2内核，再使用patch-5.8.3就可以升级到5.8.3版本的内核，以此类推。
内核源码的解压、安装和查看
先下载需要的源码，这里我选择linux-3.10.99版本的源码：
[icexmoon@xyz tmp]$ wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.10.99.tar.xz
--2021-09-17 16:33:01-- https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.10.99.tar.xz
正在解析主机 mirrors.edge.kernel.org (mirrors.edge.kernel.org)... 2604:1380:3000:1500::1, 147.75.95.133
正在连接 mirrors.edge.kernel.org (mirrors.edge.kernel.org)|2604:1380:3000:1500::1|:443... 失败：连接超时。
正在连接 mirrors.edge.kernel.org (mirrors.edge.kernel.org)|147.75.95.133|:443... 已连接。
已发出 HTTP 请求，正在等待回应... 200 OK
长度：73312148 (70M) [application/x-xz]
正在保存至: “linux-3.10.99.tar.xz”
100%[===========================================================================================>] 73,312,148 153KB/s 用时 6m 51s
2021-09-17 16:42:00 (174 KB/s) - 已保存 “linux-3.10.99.tar.xz” [73312148/73312148])
速度比较慢，原因是
wget会先尝试通过IPV6进行连接，如果服务器不支持就一直要等待，建议使用wget -4指定通过IPV4进行连接，建立连接的所读会快得多。官方镜像下载速度会很慢，建议使用上边提供的国内镜像，能慢速下载。
一般来说，内核源码应该安装到/usr/src/kernels/目录：
[root@xyz tmp]# tar -Jxvf linux-3.10.99.tar.xz -C /usr/src/kernels/
...省略
linux-3.10.99/virt/kvm/iodev.h
linux-3.10.99/virt/kvm/iommu.c
linux-3.10.99/virt/kvm/irq_comm.c
linux-3.10.99/virt/kvm/irqchip.c
linux-3.10.99/virt/kvm/kvm_main.c
[root@xyz tmp]# du -sh /usr/src/kernels/linux-3.10.99/
566M /usr/src/kernels/linux-3.10.99/
居然解压出来要566M，恐怖如斯。
解压出的内核源码包含以下目录：
[root@xyz tmp]# ll /usr/src/kernels/linux-3.10.99/ | grep '^d'
drwxrwxr-x. 32 root root 4096 3月 4 2016 arch
drwxrwxr-x. 3 root root 4096 3月 4 2016 block
drwxrwxr-x. 4 root root 4096 3月 4 2016 crypto
drwxrwxr-x. 100 root root 8192 3月 4 2016 Documentation
drwxrwxr-x. 112 root root 4096 3月 4 2016 drivers
drwxrwxr-x. 36 root root 4096 3月 4 2016 firmware
drwxrwxr-x. 73 root root 4096 3月 4 2016 fs
drwxrwxr-x. 26 root root 4096 3月 4 2016 include
drwxrwxr-x. 2 root root 254 3月 4 2016 init
drwxrwxr-x. 2 root root 256 3月 4 2016 ipc
drwxrwxr-x. 11 root root 4096 3月 4 2016 kernel
drwxrwxr-x. 9 root root 8192 3月 4 2016 lib
drwxrwxr-x. 2 root root 4096 3月 4 2016 mm
drwxrwxr-x. 55 root root 4096 3月 4 2016 net
drwxrwxr-x. 12 root root 186 3月 4 2016 samples
drwxrwxr-x. 13 root root 4096 3月 4 2016 scripts
drwxrwxr-x. 9 root root 268 3月 4 2016 security
drwxrwxr-x. 22 root root 4096 3月 4 2016 sound
drwxrwxr-x. 17 root root 215 3月 4 2016 tools
drwxrwxr-x. 2 root root 102 3月 4 2016 usr
drwxrwxr-x. 3 root root 17 3月 4 2016 virt
这些目录的用途为：
-
arch ：與硬體平台有關的項目，大部分指的是 CPU 的類別，例如 x86, x86_64, Xen 虛擬支援等；
-
block ：與區塊裝置較相關的設定資料，區塊資料通常指的是大量儲存媒體！還包括類似 ext3 等檔案系統的支援是否允許等。
-
crypto ：核心所支援的加密的技術，例如 md5 或者是 des 等等；
-
Documentation ：與核心有關的一堆說明文件，若對核心有極大的興趣，要瞧瞧這裡！
-
drivers ：一些硬體的驅動程式，例如顯示卡、網路卡、PCI 相關硬體等等；
-
firmware ：一些舊式硬體的微指令碼 (韌體) 資料；
-
fs ：核心所支援的 filesystems ，例如 vfat, reiserfs, nfs 等等；
-
include ：一些可讓其他程序呼叫的標頭 (header) 定義資料；
-
init ：一些核心初始化的定義功能，包括掛載與 init 程式的呼叫等；
-
ipc ：定義 Linux 作業系統內各程序的溝通；
-
kernel ：定義核心的程序、核心狀態、執行緒、程序的排程 (schedule)、程序的訊號 (signle) 等
-
lib ：一些函式庫；
-
mm ：與記憶體單元有關的各項資料，包括 swap 與虛擬記憶體等；
-
net ：與網路有關的各項協定資料，還有防火牆模組 (net/ipv4/netfilter/*) 等等；
-
security ：包括 selinux 等在內的安全性設定；
-
sound ：與音效有關的各項模組；
-
virt ：與虛擬化機器有關的資訊，目前核心支援的是 KVM (Kernel base Virtual Machine)
摘抄自
内核编译前的预处理与功能选择
清理源码环境
在编译之前应当清理源码目录，将可能存在的之前编译产生配置文件和目标文件（object file）清除：
[root@xyz tmp]# cd /usr/src/kernels/linux-3.10.99/
[root@xyz linux-3.10.99]# make mrproper
需要注意的是，make mrproper命令会将内核功能选择文件一并删除，如果仅需要清理之前编译残留的文件，可以：
[root@xyz linux-3.10.99]# make clean
make clean仅会删除编译产生的中间文件，不会删除相关配置文件。
选择内核功能
在开始编译内核前，需要先选择内核功能，即为内核设定好哪些功能直接编译进内核，哪些功能是编译成模块外挂，哪些功能是完全不需要的。
具体可以通过以下几种方式进行设置：
-
make menuconfig命令行下以纯文本的方式进行设置。
-
make oldconfig使用已存在的
./.config文件作为默认设置，在此基础上仅将新功能列出让用户选择。 -
make xconfig通过
Qt图形接口实现的界面进行设置，比如支持Qt图形接口的KDE下就可以使用此功能进行设置。 -
make gconfig通过
Gtk图形接口实现的界面进行设置，比如支持Gtk图形接口的GNOME就可以使用此功能进行设置。 -
make config最原始的设置方式，选择错误后将无法修改。
通过既有设置来完成内核功能选择
这里以默认内核的配置文件作为参考来设置新内核的功能：
[root@xyz linux-3.10.99]# ll /boot/config-3.10.0-1160.el7.x86_64
-rw-r--r--. 1 root root 153591 10月 20 2020 /boot/config-3.10.0-1160.el7.x86_64
[root@xyz linux-3.10.99]# cp /boot/config-3.10.0-1160.el7.x86_64 .config
[root@xyz linux-3.10.99]# ll .config
-rw-r--r--. 1 root root 153591 9月 17 17:13 .config
下面进行内核选择：
[root@xyz linux-3.10.99]# make menuconfig
会出现这样的界面：
有点像是BIOS的设置界面。
操作方式很简单，上边是具体的设置项，下边是菜单，选中不同的菜单项有不同的功能：
-
Select：当选中该菜单项时：-
按下
Enter会进入当前设置项（有子设置项的菜单尾部会有-->符号） -
按下
Space（空格）会修改当前配置项（头部有[]或<>标识的才能修改）
-
-
Exit：选中时按下Enter会返回上一级菜单，如果已经是顶部菜单，将退出设置程序。 -
Help：选中时按下Enter会显示选中设置项的帮助信息。 -
Save：选中时按下Enter会保留当前的设置到配置文件。 -
Load：从配置文件加载内核设置。
内核功能项的设置值主要分以下几种：
-
-*-：默认编译到内核，无法修改。 -
[*]：编译到内核。 -
[M]：编译到内核模块。 -
[ ]：不使用该功能。
内核功能选择
General setup
这部分设置是与Linux最相关的程序交互、内核版本说明、是否使用开发中的程序代码等相关的。
这里仅做了上面的修改，其余均保持默认值。
其中Local version和Automatically append version...的用途是可以在Linux内核版本后添加上一段自定义字符，比如上边设置后最终编译出的内核版本显示的时候就会显示3.10.99icexmoon之类的字样。
Kernel compression mode是内核编译后的压缩模式，使用Bzip2可以让内核拥有较高的压缩比。
Kernel .config support可以让内核的配置文件直接写入内核文件。
其余相关配置的说明可以阅读。
Enable loadable module support
这里是内核加载模块的相关设置，如果内核要能加载模块，该功能必须写入内核。
这里仅增加了一个Forced module unloading功能，该功能可以让内核强制卸载模块。
Enable the block layer
其下的自配置项Patition Types涉及分区的相关功能：
这里均保持默认值。
子配置项I/O scheduler可以设置I/O调度算法：
这里建议设置为Deadline。
Processor type and features
这一部分设置包括CPU的类型与功能选择。
子选项Linux guest support提供Linux虚拟化相关功能：
这里保持默认选项。
选项Preemption Model可以调整内核抢占模式：
具体分为三种：
-
No Forced Preemption (Server)
-
Voluntary Kernel Preemption (Desktop)
-
Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)
如果Linux主机的用途是服务器，可以修改选项为No Forced Preemption (Server)。
内核抢占模式的更多内容可以阅读。
选项Timer frequency可以调整CPU的时钟频率，时钟频率会影响CPU的调度和执行，如果Linux主机用于服务器，可以适当调低时钟频率，比如300 HZ。这里使用默认值1000HZ：
Power management and ACPI options
这里是电源管理的相关功能。如果硬件支持，可以通过这里的设置降低系统的能耗。
子选项CPU Frequency scaling中可以设置CPU频率脉冲相关的功能：
其中Default CPUFreq governor可以设置CPU频率调节模式，这里设置为ondemand。
更多的CPU频率调节模式可以阅读。
Bus options (PCI etc.)
这里是总线相关的功能。
这里保留默认值，其中PCI Stub driver选项为虚拟化需要的功能。
Executable file formats / Emulations
这里是文件格式相关的功能。
虽然现在都是64位系统环境，但可以打开IA32 a.out support和x32 ABI for 64-bit mode，以兼容32位程序的运行。
Networking support
这里是网络相关的选项，包括防火墙等。
子选项Networking options中包含防火墙的功能：
在这里打开Transparent proxying support功能。
其它选项均保持默认值，如果想了解更多相关功能说明，请阅读。
Device Drivers
这里是驱动相关的设置。这里不做修改，直接使用默认值。
File systems
这里是文件系统相关的设置。
CentOS 7默认是不支持ext2和ext3的，这里开启。
增加一个xfs realtime subvolume support，该功能可以支持“事实子卷”，"实时子卷"是专门存储文件数据的卷,可以允许将日志与数据分开在不同的磁盘上。
子选项DOS/FAT/NT Filesystems可以添加对Windows相关文件系统的支持。
这里将default codepage for FAT修改为936，将Default iocharset修改为utf8，以支持简体中文。
此外，添加NTFS write support以支持NTFS文件系统的写入功能。
更多关于
codepage的相关内容请阅读。
子选项Network File Systems中包含网络文件系统的相关设置：
这里添加上对SMB2网络文件系统的支持。
子选项Native language support可以设置语言支持：
简体中文以模块的方式支持。
Kernel hacking
这里是Linux核心开发者会用到的相关功能，如果你不是内核开发人员，应该是用不到的。
Security options
这里是安全相关的选项，包括SELinux的相关设置：
Virtualization
这里包含虚拟化相关的设置。
这里添加一个虚拟化相关的功能KVM legacy PCI device assignment support。
到这里所有设置就都选择好了，选择下方的save进行保存：
确认保存到.config，点ok。
保存好后一路选择exit退出程序即可。
内核的编译和安装
编译内核和模块
可以通过make help命令查看内核编译的相关命令：
[root@xyz linux-3.10.99]# make help
Cleaning targets:
clean - Remove most generated files but keep the config and
enough build support to build external modules
mrproper - Remove all generated files + config + various backup files
distclean - mrproper + remove editor backup and patch files
Configuration targets:
config - Update current config utilising a line-oriented program
nconfig - Update current config utilising a ncurses menu based program
menuconfig - Update current config utilising a menu based program
xconfig - Update current config utilising a QT based front-end
gconfig - Update current config utilising a GTK based front-end
oldconfig - Update current config utilising a provided .config as base
...省略
主要的命令有：
-
make vmlinux：将内核编译成未压缩的内核文件。 -
make modules：仅编译内核模块。 -
make bzImage：将内核编译成压缩后的内核文件。 -
make all：执行上边所有的三个操作。
通常编译内核时的步骤是：
-
make clean：清理上次编译的残留文件。 -
make bzImage：编译内核。 -
make modules：编译模块。
或者可以使用组合命令：make clean bzImage modules。
此外，为了更高效地编译内核，可以使用-j n命令使用多线程编译内核，其中n可以设置为CPU最大支持的线程数，比如双核四线程的CPU编译内核时可以使用make -j 4 bzImage。
现在开始实际编译内核：
[root@xyz linux-3.10.99]# make clean
[root@xyz linux-3.10.99]# make bzImage
...省略
OBJCOPY arch/x86/boot/vmlinux.bin
HOSTCC arch/x86/boot/tools/build
BUILD arch/x86/boot/bzImage
Setup is 16720 bytes (padded to 16896 bytes).
System is 4469 kB
CRC d8aafb6f
Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready (#1)
出现xxx is ready字样就说明编译好了。
下面编译模块：
[root@xyz linux-3.10.99]# make modules
编译前请确保有足够的空闲空间，我因为空间不够编译失败了。
模块编译非常耗时，我几年前的小破笔记本上的虚拟机用单线程跑了1小时左右。
安装模块
内核模块都安装在/lib/modules/$(uname -r)目录下。也就是说以内核版本进行区分，一般来说不会有什么问题，但如果我们要安装的内核模块对应的版本已经存在了，就会产生冲突。此时解决的方式有：
-
将旧的内核模块所在目录名修改后进行安装。
-
在内核设置中将
General setup中的Local version中添加一个额外的版本标识。
如果不存在版本冲突的问题就可以直接安装：
[root@xyz linux-3.10.99]# make modules_install
...省略
INSTALL /lib/firmware/edgeport/down2.fw
INSTALL /lib/firmware/edgeport/down3.bin
INSTALL /lib/firmware/whiteheat_loader.fw
INSTALL /lib/firmware/whiteheat.fw
INSTALL /lib/firmware/keyspan_pda/keyspan_pda.fw
INSTALL /lib/firmware/keyspan_pda/xircom_pgs.fw
DEPMOD 3.10.99icexmoon
[root@xyz linux-3.10.99]# ll /lib/modules
总用量 8
drwxr-xr-x. 7 root root 4096 7月 24 14:46 3.10.0-1160.el7.x86_64
drwxr-xr-x. 3 root root 4096 9月 17 21:59 3.10.99icexmoon
安装内核与实现多重引导
安装内核
安装内核实际上就是将编译好的内核文件部署到/boot目录：
[root@xyz linux-3.10.99]# cp ./arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-3.10.99icexmoon
[root@xyz linux-3.10.99]# cp .config /boot/config-3.10.99icexmoon
[root@xyz linux-3.10.99]# chmod a+x /boot/vmlinuz-3.10.99icexmoon
[root@xyz linux-3.10.99]# cp ./System.map /boot/System.map-3.10.99icexmoon
[root@xyz linux-3.10.99]# gzip -c Module.symvers > /boot/symvers-3.10.99icexmoon.gz
[root@xyz linux-3.10.99]# restorecon -Rv /boot
restorecon reset /boot/System.map-3.10.99icexmoon context unconfined_u:object_r:boot_t:s0->unconfined_u:object_r:system_map_t:s0
这里除了内核文件，还拷贝了其它关键文件到/boot目录。
创建对应的虚拟文件系统
我们之前说过，内核在加载到内存中后，要依靠虚拟文件系统才能读取到模块，所以还要创建新内核的虚拟文件系统：
[root@xyz linux-3.10.99]# dracut -v /boot/initramfs-3.10.99icexmoon.img 3.10.99icexmoon
Executing: /sbin/dracut -v /boot/initramfs-3.10.99icexmoon.img 3.10.99icexmoon
dracut module 'busybox' will not be installed, because command 'busybox' could not be found!
dracut module 'dmsquash-live-ntfs' will not be installed, because command 'ntfs-3g' could not be found!
dracut module 'cifs' will not be installed, because command 'mount.cifs' could not be found!
...省略
*** Creating image file ***
*** Creating image file done ***
*** Creating initramfs image file '/boot/initramfs-3.10.99icexmoon.img' done ***
多重引导
要让新内核能使用还需要让其出现在boot loader的引导菜单上才行，所以这里需要重建grub2的配置文件，以让grub2自动识别到新内核：
[root@xyz linux-3.10.99]# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
Generating grub configuration file ...
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.99icexmoon
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.99icexmoon.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-f5a85e92d51e4d40975fd956fd775f9c
Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-f5a85e92d51e4d40975fd956fd775f9c.img
done
可以看到识别到了我们的新内核。
测试
现在新内核已经就绪，重启来看看：
第一个选项就是新内核，选择新内核进入系统。
[icexmoon@xyz ~]$ uname -r
4.1.16
内核更新成功。
花了两天时间总算成功安装了一个官方内核，不过兼容性依然有点问题，GNOME窗口管理器就很卡。安装过程中我同样参考了。
遇到的其它坑包括：
安装最新的内核
5.9.9时，各种编译工具均版本过老，无法编译，如果强行要编译可能还需要找其它的软件源更新编译工具，我这里没有继续折腾。安装内核
3.10.99后，无法正常进入系统，显示不能加载/dev/dm-0（centos-root），猜测应该是因为/root所在分区使用的是LVM，且因为空间不够我进行过扩若，导致出现了xfs的一个BUG，该BUG影响3.10~3.12的所有内核版本，详情请见。安装内核
3.13.1和3.19.8后，无法正常进入系统，VMware虚拟机直接报错：操作系统拒绝CPU。网上有说法是内存太小，但我遇到的问题并不完全一致，是完全没有内核的加载过程输出，修改虚拟机内存大小后问题也依然存在。
以上就是Linux内核编译的全部内容了，谢谢阅读。
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