Linux内核分析之基础知识-3

韩乔落
  2026-01-08 02:46:52 2026-01-08 02:46:52 Created   2026-01-19 13:40:25 2026-01-19 13:40:25 Updated    

第3章：x86_64 内核映像格式

vmlinux、bzImage 和 vmlinuz 的秘密

本章概述

Linux 内核有多种存在形式，本章详细讲解这些格式的区别、构建过程以及内部结构。

内核映像类型对比

名称 描述 格式 用途
vmlinux 未压缩的内核 ELF 调试、符号表
bzImage 大 zImage 自定义 实际启动
vmlinuz bzImage 的链接 同 bzImage 传统命名
zImage 小内核映像 自定义 已废弃
uImage U-Boot 镜像 U-Boot 嵌入式
Image ARM64 原始映像 二进制 ARM64

3.1 构建流程详解

3.1.1 完整构建过程

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    内核构建流程                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  源文件 (*.c, *.S)                                             │
│       │                                                         │
│       ├─ 编译 (gcc/clang)                                       │
│       ↓                                                         │
│  目标文件 (*.o)                                                │
│       │                                                         │
│       ├─ 链接 (ld)                                              │
│       ↓                                                         │
│  vmlinux (ELF 可执行文件)                                      │
│       │                                                         │
│       ├─ objcopy (提取二进制)                                   │
│       ↓                                                         │
│  arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin                          │
│       │                                                         │
│       ├─ 压缩 (gzip/xz/etc)                                     │
│       ↓                                                         │
│  arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin.gz                       │
│       │                                                         │
│       ├─ mkpiggy (生成 piggy.S)                                 │
│       ├─ 重新编译压缩内核                                        │
│       ↓                                                         │
│  arch/x86/boot/compressed/vmlinux                              │
│       │                                                         │
│       ├─ cat setup + compressed vmlinux                          │
│       ↓                                                         │
│  arch/x86/boot/bzImage                                         │
│       │                                                         │
│       └─ 安装 (make install)                                    │
│           ↓                                                     │
│       /boot/vmlinuz-6.12.38                                     │
│                                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.1.2 Makefile 分析

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# Makefile (顶层)

# 内核版本
VERSION = 6
PATCHLEVEL = 12
SUBLEVEL = 38
EXTRAVERSION =
NAME = Baby Opossum Posse

# 默认目标
all: vmlinux

# vmlinux 是主要目标
vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o FORCE
    $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/scripts/Makefile.vmlinux \
        quiet_cmd_vmlinux__ = VMLINUX $@

# 内核镜像目标
Image: vmlinux
    $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/boot $@

bzImage: vmlinux
    $(Q)$(MAKE) $(build)=arch/x86/boot $@
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# arch/x86/boot/Makefile

# bzImage 构建规则
bzImage: asflags-y += $(BOOT_HEAP_SIZE)
bzImage: $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin $(obj)/tools/build FORCE
    $(call if_changed,ld)
    $(obj)/tools/build $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin > $@

# setup.bin 是实模式代码
$(obj)/setup.bin: $(src)/setup.ld $(SETUP_OBJS) FORCE
    $(call if_changed,ld)

# vmlinux.bin 是压缩内核
$(obj)/vmlinux.bin: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
    $(call if_changed,objcopy)

# 压缩内核构建
$(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/compressed/vmlinux.lds \
                           $(obj)/compressed/head_64.o \
                           $(obj)/compressed/misc.o \
                           $(obj)/compressed/string.o \
                           $(obj)/compressed/vmlinux.bin.gz FORCE
    $(call if_changed,ld)

# 压缩
$(obj)/compressed/vmlinux.bin.gz: $(vmlinux) FORCE
    $(call if_changed,gzip)

3.1.3 压缩算法选择

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/* arch/x86/boot/compressed/Makefile */

# 支持的压缩算法
ifdef CONFIG_KERNEL_GZIP
    OBJS += ../../lib/decompress_inflate.o
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_BZIP2
    OBJS += ../../lib/decompress_bunzip2.o
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_LZMA
    OBJS += ../../lib/decompress_unlzma.o
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_XZ
    OBJS += ../../lib/decompress_unxz.o
    # XZ 是默认推荐
    KBUILD_CFLAGS += -DCONFIG_KERNEL_XZ
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_LZO
    OBJS += ../../lib/decompress_unlzo.o
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_LZ4
    OBJS += ../../lib/decompress_unlz4.o
endif

ifdef CONFIG_KERNEL_ZSTD
    OBJS += ../../lib/decompress_unzstd.o
    # ZSTD 是最新推荐
    KBUILD_CFLAGS += -DCONFIG_KERNEL_ZSTD
endif

压缩算法对比：

算法 压缩比 解压速度 内核支持
gzip 中等 快 是
bzip2 高 慢 是
lzma 很高 很慢 是
xz 很高 慢 是 (推荐)
lzo 低 很快 是
lz4 低 极快 是
zstd 高 快 是 (最新推荐)

3.2 vmlinux 详解

3.2.1 vmlinux 结构

vmlinux 是一个完整的 ELF 可执行文件：

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$ file vmlinux
vmlinux: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV),
        statically linked, not stripped

$ ls -lh vmlinux
-rwxr-xr-x 1 root root 62M Jan  1 00:00 vmlinux

$ readelf -h vmlinux
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V ABI
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Entry point address:               0x1000000
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          0 (bytes into file)

3.2.2 vmlinux 段结构

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/* vmlinux 的关键段 */
struct vmlinux_layout {
    /*
     * .text: 内核代码段
     * - 包含所有编译后的内核代码
     * - 通常从 __START_KERNEL_map 开始
     */
    char _text[SIZE];        /* 代码起始 */
    char _etext[SIZE];       /* 代码结束 */

    /*
     * .rodata: 只读数据
     * - 常量、字符串
     * - 内核参数
     */
    char __start_rodata[SIZE];
    char __end_rodata[SIZE];

    /*
     * .data: 数据段
     * - 已初始化的全局变量
     * - 可读写
     */
    char _sdata[SIZE];
    char _edata[SIZE];

    /*
     * .bss: 未初始化数据段
     * - 零初始化的全局变量
     * - 不占用文件空间
     */
    char __bss_start[SIZE];
    char __bss_stop[SIZE];

    /*
     * .init: 初始化代码/数据
     * - __init 函数
     * - 启动后可释放
     */
    char __init_begin[SIZE];
    char __init_end[SIZE];

    /*
     * .data..percpu: per-CPU 数据
     * - 每个 CPU 的独立数据
     */
    char __per_cpu_start[SIZE];
    char __per_cpu_end[SIZE];
};

3.2.3 vmlinux 链接脚本

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/* arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S */

ENTRY(startup_64)

SECTIONS
{
    /* 内核虚拟地址起始 */
    . = __START_KERNEL_map;

    /* 代码段 */
    .text : AT(ADDR(.text) - LOAD_OFFSET) {
        _text = .;
        /* 异常向量 */
        IDTTEXT
        /* 修复代码 */
        FIXUP_TEXT
        /* 核心代码 */
        *(.text .text.*)
        *(.ref.text)
    }

    /* 只读数据 */
    .rodata : AT(ADDR(.rodata) - LOAD_OFFSET) {
        __start_rodata = .;
        *(.rodata .rodata.*)
        /* 内核参数 */
        __param : { *(__param) }
        __stop___param = .;
        __end_rodata = .;
    }

    /* 数据段 */
    .data : AT(ADDR(.data) - LOAD_OFFSET) {
        _data = .;
        *(.data .data.*)
    }

    /* BSS 段 */
    .bss : AT(ADDR(.bss) - LOAD_OFFSET) {
        __bss_start = .;
        *(.bss .bss.*)
        *(COMMON)
        __bss_stop = .;
    }

    /* 初始化段 */
    .init.data : AT(ADDR(.init.data) - LOAD_OFFSET) {
        __init_begin = .;
        *(.init.data)
        *(.cpuinit.data)
    }

    .init.text : AT(ADDR(.init.text) - LOAD_OFFSET) {
        *(.init.text)
        *(.cpuinit.text)
    }

    __init_end = .;

    /* per-CPU 数据 */
    .data..percpu : AT(ADDR(.data..percpu) - LOAD_OFFSET) {
        __per_cpu_load = .;
        *(.data..percpu..first)
        *(.data..percpu..page_aligned)
        *(.data..percpu)
        *(.data..percpu..shared_aligned)
        __per_cpu_end = .;
    }
}

3.3 bzImage 详解

3.3.1 bzImage 结构

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bzImage 文件结构:
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  offset 0x0000                                      │
│  ┌───────────────────────────────────────────────┐  │
│  │  setup 代码 (实模式)                           │  │
│  │  - header.S                                    │  │
│  │  - main.c                                      │  │
│  │  - 视频初始化等                                │  │
│  │  大小: setup_sects * 512 字节                 │  │
│  └───────────────────────────────────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  offset: setup_size (通常是 0x2000)                │
│  ┌───────────────────────────────────────────────┐  │
│  │  compressed/vmlinux (压缩内核)                │  │
│  │  ┌─────────────────────────────────────────┐  │  │
│  │  │  head_64.S (解压入口)                   │  │  │
│  │  │  - startup_32                          │  │  │
│  │  │  - startup_64                          │  │  │
│  │  ├─────────────────────────────────────────┤  │  │
│  │  │  misc.c (解压代码)                      │  │  │
│  │  │  - decompress_kernel                   │  │  │
│  │  ├─────────────────────────────────────────┤  │  │
│  │  │  pgtable_64.c (早期页表)                │  │  │
│  │  ├─────────────────────────────────────────┤  │  │
│  │  │  vmlinux.bin.gz (压缩的 vmlinux.bin)   │  │  │
│  │  │  - piggy.S (通过 incbin 包含)          │  │  │
│  │  └─────────────────────────────────────────┘  │  │
│  └───────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                         │
│  注意: "bz" 中的 "b" 代表 "big", 不是 "bzip2"        │
│  最初的 "zImage" 由于大小限制被 "bzImage" 替代        │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

3.3.2 bzImage 加载地址

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/* boot_params.hdr 加载地址相关字段 */
struct setup_header {
    /* ... */
    u32 code32_start;         /* 32/64位入口点 */
                               /* 默认: 0x100000 (1MB) */

    u32 initrd_addr_max;      /* initrd 最大地址 */
                               /* 0x7fffffff for legacy */
                               /* 0xffffffff for EFI */

    u32 kernel_alignment;     /* 内核对齐 */
                               /* CONFIG_PHYSICAL_ALIGN */
                               /* 最小 0x100000 (1MB) */
                               /* 典型值: 0x200000 (2MB) */

    u8 relocatable_kernel;    /* 可重定位内核 */
                               /* 1 = 支持任意地址加载 */

    u8 min_alignment;         /* 最小对齐 */
                               /* 通常与 kernel_alignment 相同 */

    u32 pref_address;         /* 首选加载地址 */
                               /* CONFIG_PHYSICAL_START */

    u32 init_size;            /* 初始化代码+数据大小 */

    u32 handover_offset;      /* EFI handover 偏移 */
    /* ... */
};

3.3.3 bzImage 生成过程

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# 1. 构建 vmlinux
$ make vmlinux
  CC      init/main.o
  CC      kernel/sched/core.o
  ...
  LD      vmlinux
  OBJCOPY arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin

# 2. 压缩 vmlinux.bin
$ gzip arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin
  → vmlinux.bin.gz

# 3. 生成 piggy.S (包含压缩数据)
$ mkpiggy vmlinux.bin.gz > piggy.S

# piggy.S 内容示例:
    .section ".rodata..compressed","a",@progbits
.globl z_input_len
z_input_len = 6241234

.globl z_output_len
z_output_len = 0x2000000

.globl z_extract_offset
z_extract_offset = 0

.globl input_data
input_data:
.incbin "arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin.gz"

# 4. 编译压缩内核
$ gcc -c piggy.S -o piggy.o
$ ld -o arch/x86/boot/compressed/vmlinux \
    head_64.o misc.o piggy.o

# 5. 生成 bzImage
$ cat arch/x86/boot/setup.bin \
    arch/x86/boot/compressed/vmlinux \
    > arch/x86/boot/bzImage

# 6. 安装
$ make install
sh /usr/src/linux-6.12/arch/x86/boot/install.sh 6.12.38 \
  arch/x86/boot/bzImage \
  System.map "/boot"

3.4 内核符号和调试

3.4.1 System.map

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System.map 包含内核符号地址表:

$ head System.map
0000000000001000 T _text
0000000000001000 T startup_64
0000000000001000 T _stext
0000000000001040 T secondary_startup_64
...
ffffffff81000000 T _text
ffffffff81000000 T startup_64
ffffffff81000000 T _stext
...

格式:
<地址> <类型> <符号>

类型:
  T = Text (代码段)
  D = Data (已初始化数据)
  B = BSS (未初始化数据)
  U = Undefined (外部符号)

3.4.2 使用符号表调试

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# 从地址查找符号
$ addr2line -e vmlinux ffffffff81000123
arch/x86/kernel/head64.c:145

# 从符号查找地址
$ nm vmlinux | grep start_kernel
ffffffff8106c180 T start_kernel

# 使用 crash 工具
$ crash vmlinux /proc/kcore
crash> sym ffffffff8106c180
ffffffff8106c180 (t) start_kernel

3.5 内核配置和大小优化

3.5.1 大小分析

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# 分析内核大小
$ size vmlinux
   text    data     bss     dec     hex filename
 12345678 2345678  1234567 15925723  f2f34b vmlinux

# 各部分占用情况
$ bloat-o-meter vmlinux vmlinux.old
Total: Before: 15925723  After: 15892345  Diff: -33378 (-0.21%)

# 按驱动/子系统分析
$ ls -lh arch/x86/boot/bzImage
-rw-r--r-- 1 root root 8.5M Jan  1 00:00 bzImage

# 查看未压缩大小
$ du -h vmlinux
62M     vmlinux

3.5.2 减小内核大小的配置

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# 最小化内核配置的选项

# 禁用调试
CONFIG_DEBUG_KERNEL=n
CONFIG_DEBUG_INFO=n

# 禁用不需要的驱动
# 只保留必要的硬件支持

# 禁用不需要的文件系统
CONFIG_EXT4_FS=y      # 保留必要的
CONFIG_NTFS_FS=n      # 禁用不需要的

# 使用模块化
CONFIG_MODULES=y
# 将不常用的功能编译为模块

# 使用 XZ 或 ZSTD 压缩
CONFIG_KERNEL_XZ=y     # 或 CONFIG_KERNEL_ZSTD=y

# 禁用不需要的内核功能
CONFIG_MODULES=n       # 如果不需要模块支持
CONFIG_KALLSYMS=n      # 如果不需要符号表

# 使用 strip
$ strip --strip-debug vmlinux

3.6 ARM64 Image 格式

3.6.1 ARM64 Image 结构

ARM64 使用更简单的 Image 格式：

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ARM64 Image 格式:
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  offset 0x0000                                      │
│  ┌───────────────────────────────────────────────┐  │
│  │  内核头部 (64 字节)                           │  │
│  │  0x00: b primary_entry                         │  │
│  │  0x04: 0x00 (加载偏移)                        │  │
│  │  0x08: _kernel_size_le (大小)                │  │
│  │  0x10: _kernel_flags_le (标志)                │  │
│  │  0x14: 0x00 (保留)                            │  │
│  │  0x18: 0x00 (保留)                            │  │
│  │  0x1C: 0x00 (保留)                            │  │
│  │  0x20: "ARM\x64" (魔数)                       │  │
│  │  0x24: PE 头偏移                              │  │
│  └───────────────────────────────────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  offset 0x0040                                      │
│  ┌───────────────────────────────────────────────┐  │
│  │  内核代码 (Image/vmlinux.bin)                  │  │
│  │  - 不压缩                                       │  │
│  │  - 可以直接加载执行                             │  │
│  └───────────────────────────────────────────────┘  │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

注意: ARM64 不使用 bzImage 格式
      Image 就是 vmlinux 的二进制形式

3.6.2 ARM64 内核构建

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# arch/arm64/boot/Makefile

# 默认目标
all: Image.gz

# Image 是原始二进制
Image: vmlinux
    $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(boot)/$@
    $(call if_changed,objcopy)

# Image.gz 是压缩版本
Image.gz: Image
    $(call if_changed,gzip)

# vmlinux.bin 是 ELF 转二进制
$(obj)/vmlinux.bin: vmlinux FORCE
    $(call if_changed,objcopy)

# vmlinux.bin.gz 是压缩的 vmlinux.bin
$(obj)/vmlinux.bin.gz: $(obj)/vmlinux.bin FORCE
    $(call if_changed,gzip)

3.6.3 ARM64 EFI 头部

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/* arch/arm64/kernel/efi-header.S */

    .set offset, 0

    /*
     * 内核头部 (在 PE 头之前)
     */
    .globl  efi_header_end
efi_header:
    .byte   0x4d    // "MZ"
    .byte   0x5a
    .space  0x3a    // 填充到 0x3c

    /*
     * PE 偏移 (在 0x3c 处)
     */
    .long   pe_header - efi_header

    /*
     * PE 签名 (在 pe_header 处)
     */
pe_header:
    .long   PE_MAGIC                // "PE\0\0"

coff_header:
    .set    .Lcoff_offset, . - efi_header
    .short  IMAGE_FILE_MACHINE_ARM64   // 0xAA64
    .short  section_count
    .long   0
    .long   0
    .long   0
    .short  optional_header_size
    .short  0x0206  // Characteristics

    /*
     * PE 可选头
     */
optional_header:
    .set    .Lopthdr_offset, . - efi_header
    .short   PE_OPT_MAGIC_PE32PLUS
    .byte    0x02
    .byte    0x14
    .long    0
    .long    __initdata_begin - .head.text
    .long    __initdata_end - __initdata_begin
    .long    0
    .long    0x1000
    .long    0x200   // Subsystem: EFI application
    .long    0
    .long    1
    .long    0
    .long    (0x200 + .Lpe_header - efi_header) & ~0x1ff
    .long    (0x200 + .Lpe_header - efi_header) & ~0x1ff
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0
    .long    0
    .long    6

    /*
     * 数据目录
     */
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0
    .quad    0

    /*
     * 节表
     */
section_table:
    /*
     * .text 段
     */
    .ascii  ".text\0\0\0"
    .long   __initdata_end - .head.text
    .long   0
    .long   0
    .long   0
    .long   0
    .long   0
    .long   0
    .long   IMAGE_SCN_CNT_CODE | \
            IMAGE_SCN_MEM_READ | \
            IMAGE_SCN_MEM_EXECUTE

    .set    section_count, (. - section_table) / 40

    /*
     * PE 头结束
     */
.Lpe_header:

3.7 本章小结

内核映像总结

格式 平台 压缩 ELF 大小约 用途
vmlinux x86/ARM64 否 是 ~60MB 调试、符号
bzImage x86 是 否 ~8MB 实际启动
Image ARM64 否 否 ~20MB 实际启动
Image.gz ARM64 是 否 ~8MB 可选

构建命令

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# 完整构建
make -j$(nproc)

# 仅构建内核镜像
make bzImage      # x86_64
make Image        # ARM64

# 安装
make modules_install
make install

# 清理
make clean         # 清理生成文件
make mrproper      # 深度清理 (保留配置)
make distclean     # 完全清理 (包括配置)
  • Title: Linux内核分析之基础知识-3
  • Author: 韩乔落
  • Created at : 2026-01-08 02:46:52
  • Updated at : 2026-01-19 13:40:25
  • Link: https://jelasin.github.io/2026/01/08/Linux内核分析之基础知识-3/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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Linux内核分析之基础知识-3
  1. 第3章：x86_64 内核映像格式
    1. 本章概述
      1. 内核映像类型对比
    2. 3.1 构建流程详解
      1. 3.1.1 完整构建过程
      2. 3.1.2 Makefile 分析
      3. 3.1.3 压缩算法选择
    3. 3.2 vmlinux 详解
      1. 3.2.1 vmlinux 结构
      2. 3.2.2 vmlinux 段结构
      3. 3.2.3 vmlinux 链接脚本
    4. 3.3 bzImage 详解
      1. 3.3.1 bzImage 结构
      2. 3.3.2 bzImage 加载地址
      3. 3.3.3 bzImage 生成过程
    5. 3.4 内核符号和调试
      1. 3.4.1 System.map
      2. 3.4.2 使用符号表调试
    6. 3.5 内核配置和大小优化
      1. 3.5.1 大小分析
      2. 3.5.2 减小内核大小的配置
    7. 3.6 ARM64 Image 格式
      1. 3.6.1 ARM64 Image 结构
      2. 3.6.2 ARM64 内核构建
      3. 3.6.3 ARM64 EFI 头部
    8. 3.7 本章小结
      1. 内核映像总结
      2. 构建命令