【小白向】从零开始的Android内核折腾(一)——起步

#0 说在前面

本系列文章以非C语言开发者的角度编写,后续正在更新中,会加入各种合并、性能优化、backport上游新特性等内容,敬请期待!

对于咱折腾佬来说,第三方内核带来的高刷新率、优秀的调度给使用体验带来的提升是显著的。同时,如果要刷入高于最后一个官方维护的系统,或部分非官方系统的话,就需要自己去编译一个内核用于引导系统。

无语的是,明明这么多人都在搞第三方内核,全网却找不到任何一篇关于折腾Android内核的教学或指导类文章。在自己的激情驱使之下,无奈只得自己摸黑前行,偶尔去打扰下这个领域的大佬。在长时间没有任何参考文献的摸索之后,终于有了这系列的文章,供各位喜欢折腾的网友们参考,这也是本系列文章的意义——让喜欢折腾的人都能体验到折腾的乐趣

注:本文以红米K20 Pro(Linux 4.14.y)为例进行介绍。

#0.5 战斗准备

开始战斗前的物质准备:

  • 硬件:一台多核性能不是太差的电脑
  • Linux环境:推荐最新发行版Ubuntu,尽量别用可能出现玄学问题的WSL
  • Clang编译器:推荐最新Neutron Clang
  • AOSP GCC交叉编译器:默认最新(在这里找最新标签,标签格式为“android-**.*_r*”)
  • git相关使用方法(多分支管理、rebase、cherry-pick等)

以及开始前的相关知识准备和小提示:

  • 为了方便后期进行backport等操作,强烈建议在条件允许的情况下,以git clone的方式将内核源码复制到本地,而非通过下载内核源码的压缩包。
  • 即使源码只能以压缩包形式获取,也建议通过git init命令将其初始化为一个git仓库。
  • 当对内核进行改动时,commit信息一定要参考Linux内核的commit信息规范去写,以提高可读性、方便cherry-pick等操作。
  • 当进行Linux内核开发时一定要记得给commit签名(sign off)
  • Linux的版本号(即数字部分)为x.y.z结构,但它并不遵守语义化规则。其中x.y在本系列文章中规定为“大版本号”或“主线版本号”,z规定为“小版本号”或“基线版本号”。
  • 为节约成本,多数厂商会选择将系统内核停留在某个长期提供支持(LTS)的主线版本上,而由于安卓内核的驱动限制,我们后期进行操作时也只能更新基线,如果您会移植的话也犯不着来看这篇没啥营养的小文章了(逃
  • 谷歌在5.4版本开始引入GKI 1.0,但效果并不理想,我们文中所说的“GKI内核”指5.10及以上版本的GKI 2.0内核,而“非GKI内核”则指5.4及以下版本的内核。

当然,最重要的,是一颗沉静得下去的耐心

以魔法为你祈祷,愿各位魔法使的内核折腾之旅一路顺风!

#1 寻找可编译成功的内核源码

此处“可编译成功”指编译过程中不会因为源码的bug而中止,且编译后的内核可以正常开机。

在绝大多数情况下,咕咕推荐在手机厂商官方提供的内核源码上进行定制化。但由于部分厂商(目前仅见小米)在开源时故意移除或修改了部分源码,使编译无法顺利完成,或编译后无法引导系统。虽然在今后我们会有能力修复,但咱作为新手魔法使,就只能找一些第三方的可编译成功的内核作为咱修改的基础。

官方内核源码获取/仓库地址:

如果需要第三方内核源码仓库,建议以“android_kernel_<手机厂商名>_<设备代号>“在各大开源网站搜索。比如我自己使用的红米K20 Pro,就需要搜索“android_kernel_xiaomi_raphael”或“kernel_xiaomi_raphael”。不过这些内核有的只能供类原生(即开源vendor的系统)使用,有的只能供官方系统(即官方vendor的系统)使用,一般会标注在简介内,根据自己的需要去选择即可。

接下来就是内核编译的过程,网上教程很多,这里暂不赘述。看到控制台输出这个,就说明编译成功!

至于如何刷入内核,可以参考:[基础教程2]如何使用AnyKernel 3打包内核

#2 自定义内核扩展版本

说白了就是给内核版本加后缀,使其具有辨识度,这也是很多第三方安卓内核所会做的。咱可以从手机设置里查阅,或和Linux发行版一样通过以下命令查询内核版本:

u0_a240@localhost ~ > uname -r
4.14.340-Project-Miracle-r3-20240329-1447

在这个例子中,-Project-Miracle-r3-20240329-1447就是我们自己添加的后缀。

而这个后缀可以通过Makefile.configarch/arm64/configs/<你设备的代号>_defconfig这3个文件中的1个进行修改,它们都是编译时的配置文件。绝大多数情况下,咕咕仅推荐各位改动后者。

注:此处.config仅指在编译前执行make xxx_defconfig后在根目录产生的.config配置文件。

# 通过 Makefile 修改(不建议)

# SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
VERSION = 4
PATCHLEVEL = 14
SUBLEVEL = 340
EXTRAVERSION = <你的内核后缀>
NAME = Petit Gorille

至于.configdefconfig,直接查找文件中的CONFIG_LOCALVERSION条目,有就改掉,没有就添上。而像编译时间或内核版次等经常变动的字串,建议在.config文件中修改,以防止原defconfig被git追踪带来的麻烦。

而在CONFIG_LOCALVERSION配置下边还有一个CONFIG_LOCALVERSION_AUTO,这个条目开启后可以在编译开始时检测当前版本控制工具(如git、svn等),通过它追踪编译时的版本(即该commit所对应的独一无二的hash值)并将版本写入到内核版本中。例如我使用以下defconfig配置:

# 假设现在使用 git 进行版本控制,当前 commit 为 1d7e6ba801...
# ,并且本地有未提交的变更

# arch/arm64/configs/???_defconfig 部分配置
CONFIG_LOCALVERSION="-Project-Miracle"
CONFIG_LOCALVERSION_AUTO=y

# uname -r 命令运行结果
4.14.340-Project-Miracle-g1d7e6ba801-dirty

#3 集成KernelSU

KernelSU需要通过KPROBES以驱动的形式集成进内核中,所以需要在defconfig中启用它。

# arch/arm64/configs/???_defconfig 部分配置
# 如果已经有了的配置项请勿再写一次
CONFIG_KPROBES=y
CONFIG_HAVE_KPROBES=y
CONFIG_KPROBE_EVENTS=y

为了方便后期更新,以及托管平台的管理,我们不采用KernelSU提供的一键集成脚本,而是直接clone到本地。进入drivers/staging目录(要在外层也行,看你心情)克隆KernelSU。

cd drivers/staging
git clone https://github.com/tiann/KernelSU kernelsu

并将KernelSU设为本内核项目的子模块,在根目录创建.gitmodules,添加:

[submodule "drivers/staging/kernelsu"]
	path = drivers/staging/kernelsu
	url = https://github.com/tiann/KernelSU.git

接下来分别修改该目录下的MakefileKconfig,添加KernelSU条目即可。(绿色背景色代码为需要在对应文件中添加的内容)

diff --git a/drivers/staging/Kconfig b/drivers/staging/Kconfig
index cc9d9fa0e1e38..ecfd48f4fa93 100644
--- a/drivers/staging/Kconfig
+++ b/drivers/staging/Kconfig
@@ -102,4 +102,6 @@
source "drivers/staging/wfx/Kconfig"

+source "drivers/staging/kernelsu/kernel/Kconfig"
+
endif # STAGING


diff --git a/drivers/staging/Makefile b/drivers/staging/Makefile
index cc9d9fa0e1e38..ecfd48f4fa93 100644
--- a/drivers/staging/Makefile
+++ b/drivers/staging/Makefile
@@ -41,3 +41,4 @@
obj-$(CONFIG_QLGE)		+= qlge/
obj-$(CONFIG_WFX)		+= wfx/
+obj-y					+= kernelsu/kernel/

最后,提交commit

git add drivers/staging/Makefile drivers/staging/Kconfig drivers/staging/kernelsu .gitmodules
git commit -m "driver: staging: initialize support for kernelsu" --signoff

在编译时选择启用KernelSU,大功告成!

#4 合并Linux上游

绝大多数情况下,同一个设备的Android内核因驱动迁移难度大,只能局限在一个LTS大版本内,所以我们通常需要将内核合并进它对应的上游,以使环境更安全、并获取更新的从新版内核特性。这就是“更新基线”或“合并上游”。

绝大多数情况下,只要保证原分支上的内核适配的是你的设备(对于非GKI设备),进行合并后几乎不会遇到无法引导的情况。

首先,为了防止可能的故障带来的回退麻烦,需要checkout到一个新的分支,咱一般建议名为baseline(-xxx),表示该分支用于合并上游基线(即大版本内)变动。

git checkout -b baseline-4.14

然后,给当前的本地仓库添加谷歌的通用内核仓库为远程仓库,并且拉取你内核所在大版本或KMI版本(KMI版本是什么?)的对应的基线分支。

这里列举几个大版本的基线分支:

  • 4.4:deprecated/android-4.4-p
  • 4.9:deprecated/android-4.9-q
  • 4.14:deprecated/android-4.14-stable
  • 4.19:android-4.19-stable
  • 5.4+:android**-*.**-lts(此处星号需要与你手机GKI内核的KMI版本匹配)

然后就是把它们合并进你源码项目!


# 拉取上游代码
git pull aosp/<上游分支名>
# 合并远程的代码到原分支,且当合并中遇到冲突时,全部选择从远程传入的更改
git merge <baseline分支名>

如果合并时出现冲突,建议通过VSCode解决冲突,比终端方便得多(确信)一般情况下全部选择传入即可。

#5 合并SoC厂商上游

由于联发科、麒麟等厂商的内核源码仅提供给手机厂商而不对外公开,Google Tensor仅在Pixel系列手机上使用,故此处只讨论高通的情况。

这是一个可选项,但合并高通的内核源码也能让内核的驱动得到更新、调度得到优化、支持的Android版本得到提升。

正在施工🚧

#6 如何优化?

由于专业知识的欠缺,所以咱把“性能优化”拎成几个小的方面:

  • 简易的配置项修改(这也是我们为数不多能够自己参与的优化项目)
  • “援引”他人的优化类目
  • 用更先进的模块替换原内核的旧模块

手动调整部分配置项目

CPU调速器

正在施工🚧

ZRAM

简而言之,ZRAM技术是通过压缩算法(一般是LZ4)将内存中指定的数据进行压缩,其实质是以牺牲CPU性能来换取内存空间。

ZRAM的配置及实现源码在drivers/block/zram/zram_drv.c,然而对于基础知识尚且不足的我们,能够修改的只有ZRAM的大小。但是请注意,ZRAM的大小不要超过实际内存大小,否则可能会导致意外发生(逃

ZRAM大小的数据通常在上述文件中if (!disksize)的上一行。

@@ -1725,7 +1725,7 @@
int err;

-disksize = memparse(buf, NULL);
+disksize = (u64)6144 * SZ_1M;
if (!disksize)
    return -EINVAL;

像这样就是将ZRAM固定为6GB。

Swappiness

swap即交换分区,它是手机存储上开辟的一小块空间,在内存使用量达到一定值时临时充当内存的作用。而swappiness就是调整swap分区启用阈值的参数,咱可以在mm/vmscan.c中通过vm_swappiness进行修改。

@@ -191,7 +191,7 @@
 * From 0 .. 200.  Higher means more swappy.
 */
-int vm_swappiness = 60;
+int vm_swappiness = 160;

static void;

“援引”他人优化类目

优化的核心是借鉴。——鲁迅根本没说过这句话

毕竟咱专业知识不足,使用他人造的轮子并非可耻之事。那么我们应如何使用他人的优化项目呢?

这就要提到我们后续进行绝大多数优化工作的工具——cherry pick——它能从其它分支中pick出你设定的commit到你所在分支上,我们可以通过它来拣选他人的优化commit并应用到自己的内核上。

首先将他人的内核仓库设置为远程仓库,pull下来即可

# 假设存在一个内核项目,主开发分支为 dev-14,优化 commit 为 129ffd0 到 ec6caa5
git remote add miracle https://github.com/Project-Miracle/android_kernel_xiaomi_raphael
git pull miracle/dev-14
git cherry-pick 129ffd0...ec6caa5 -x

此时我们就可以看到,我们自己当前所在的分支上多出了几个commit,它们就是从另外那个分支上cherry pick下来的。

替换原内核的部分模块

注:此“模块”指实现特定功能的一系列单一功能的代码,并非“Linux内核模块”。

正在施工🚧

如你所见,操作其实是很简单的,不过难就难在——我们如何去寻找这个cherry pick的点,在下一篇文章中,我会着重跟各位魔法使们讨论这个问题!

好耶,终于写完第一篇了!(躺)(叹气)

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