Python: Drop support for Python 3.7
[qemu/kevin.git] / docs / devel / build-system.rst
blob0f990bb3e9034e392b97daea2fab8d05f70ab8ae
1 ==================================
2 The QEMU build system architecture
3 ==================================
5 This document aims to help developers understand the architecture of the
6 QEMU build system. As with projects using GNU autotools, the QEMU build
7 system has two stages; first the developer runs the "configure" script
8 to determine the local build environment characteristics, then they run
9 "make" to build the project.  This is about where the similarities with
10 GNU autotools end, so try to forget what you know about them.
12 The two general ways to perform a build are as follows:
14  - build artifacts outside of QEMU source tree entirely::
16      cd ../
17      mkdir build
18      cd build
19      ../qemu/configure
20      make
22  - build artifacts in a subdir of QEMU source tree::
24      mkdir build
25      cd build
26      ../configure
27      make
29 Most of the actual build process uses Meson under the hood, therefore
30 build artifacts cannot be placed in the source tree itself.
33 Stage 1: configure
34 ==================
36 The configure script has five tasks:
38  - detect the host architecture
40  - list the targets for which to build emulators; the list of
41    targets also affects which firmware binaries and tests to build
43  - find the compilers (native and cross) used to build executables,
44    firmware and tests.  The results are written as either Makefile
45    fragments (``config-host.mak``) or a Meson machine file
46    (``config-meson.cross``)
48  - create a virtual environment in which all Python code runs during
49    the build, and possibly install packages into it from PyPI
51  - invoke Meson in the virtual environment, to perform the actual
52    configuration step for the emulator build
54 The configure script automatically recognizes command line options for
55 which a same-named Meson option exists; dashes in the command line are
56 replaced with underscores.
58 Almost all QEMU developers that need to modify the build system will
59 only be concerned with Meson, and therefore can skip the rest of this
60 section.
63 Modifying ``configure``
64 -----------------------
66 ``configure`` is a shell script; it uses ``#!/bin/sh`` and therefore
67 should be compatible with any POSIX shell. It is important to avoid
68 using bash-isms to avoid breaking development platforms where bash is
69 the primary host.
71 The configure script provides a variety of functions to help writing
72 portable shell code and providing consistent behavior across architectures
73 and operating systems:
75 ``error_exit $MESSAGE $MORE...``
76    Print $MESSAGE to stderr, followed by $MORE... and then exit from the
77    configure script with non-zero status.
79 ``has $COMMAND``
80    Determine if $COMMAND exists in the current environment, either as a
81    shell builtin, or executable binary, returning 0 on success.  The
82    replacement in Meson is ``find_program()``.
84 ``probe_target_compiler $TARGET``
85   Detect a cross compiler and cross tools for the QEMU target $TARGET (e.g.,
86   ``$CPU-softmmu``, ``$CPU-linux-user``, ``$CPU-bsd-user``).  If a working
87   compiler is present, return success and set variables ``$target_cc``,
88   ``$target_ar``, etc. to non-empty values.
90 ``write_target_makefile``
91   Write a Makefile fragment to stdout, exposing the result of the most
92   ``probe_target_compiler`` call as the usual Make variables (``CC``,
93   ``AR``, ``LD``, etc.).
96 Configure does not generally perform tests for compiler options beyond
97 basic checks to detect the host platform and ensure the compiler is
98 functioning.  These are performed using a few more helper functions:
100 ``compile_object $CFLAGS``
101    Attempt to compile a test program with the system C compiler using
102    $CFLAGS. The test program must have been previously written to a file
103    called $TMPC.
105 ``compile_prog $CFLAGS $LDFLAGS``
106    Attempt to compile a test program with the system C compiler using
107    $CFLAGS and link it with the system linker using $LDFLAGS. The test
108    program must have been previously written to a file called $TMPC.
110 ``check_define $NAME``
111    Determine if the macro $NAME is defined by the system C compiler.
113 ``do_compiler $CC $ARGS...``
114    Attempt to run the C compiler $CC, passing it $ARGS...  This function
115    does not use flags passed via options such as ``--extra-cflags``, and
116    therefore can be used to check for cross compilers.  However, most
117    such checks are done at ``make`` time instead (see for example the
118    ``cc-option`` macro in ``pc-bios/option-rom/Makefile``).
120 ``write_c_skeleton``
121    Write a minimal C program main() function to the temporary file
122    indicated by $TMPC.
125 Python virtual environments and the QEMU build system
126 -----------------------------------------------------
130 Stage 2: Meson
131 ==============
133 The Meson build system describes the build and install process for:
135 1) executables, which include:
137    - Tools - ``qemu-img``, ``qemu-nbd``, ``qemu-ga`` (guest agent), etc
139    - System emulators - ``qemu-system-$ARCH``
141    - Userspace emulators - ``qemu-$ARCH``
143    - Unit tests
145 2) documentation
147 3) ROMs, whether provided as binary blobs in the QEMU distributions
148    or cross compiled under the direction of the configure script
150 4) other data files, such as icons or desktop files
152 All executables are built by default, except for some ``contrib/``
153 binaries that are known to fail to build on some platforms (for example
154 32-bit or big-endian platforms).  Tests are also built by default,
155 though that might change in the future.
157 The source code is highly modularized, split across many files to
158 facilitate building of all of these components with as little duplicated
159 compilation as possible. Using the Meson "sourceset" functionality,
160 ``meson.build`` files group the source files in rules that are
161 enabled according to the available system libraries and to various
162 configuration symbols.  Sourcesets belong to one of four groups:
164 Subsystem sourcesets:
165   Various subsystems that are common to both tools and emulators have
166   their own sourceset, for example ``block_ss`` for the block device subsystem,
167   ``chardev_ss`` for the character device subsystem, etc.  These sourcesets
168   are then turned into static libraries as follows::
170     libchardev = static_library('chardev', chardev_ss.sources(),
171                                 name_suffix: 'fa',
172                                 build_by_default: false)
174     chardev = declare_dependency(link_whole: libchardev)
176   As of Meson 0.55.1, the special ``.fa`` suffix should be used for everything
177   that is used with ``link_whole``, to ensure that the link flags are placed
178   correctly in the command line.
180 Target-independent emulator sourcesets:
181   Various general purpose helper code is compiled only once and
182   the .o files are linked into all output binaries that need it.
183   This includes error handling infrastructure, standard data structures,
184   platform portability wrapper functions, etc.
186   Target-independent code lives in the ``common_ss``, ``system_ss`` and
187   ``user_ss`` sourcesets.  ``common_ss`` is linked into all emulators,
188   ``system_ss`` only in system emulators, ``user_ss`` only in user-mode
189   emulators.
191   Target-independent sourcesets must exercise particular care when using
192   ``if_false`` rules.  The ``if_false`` rule will be used correctly when linking
193   emulator binaries; however, when *compiling* target-independent files
194   into .o files, Meson may need to pick *both* the ``if_true`` and
195   ``if_false`` sides to cater for targets that want either side.  To
196   achieve that, you can add a special rule using the ``CONFIG_ALL``
197   symbol::
199     # Some targets have CONFIG_ACPI, some don't, so this is not enough
200     system_ss.add(when: 'CONFIG_ACPI', if_true: files('acpi.c'),
201                                         if_false: files('acpi-stub.c'))
203     # This is required as well:
204     system_ss.add(when: 'CONFIG_ALL', if_true: files('acpi-stub.c'))
206 Target-dependent emulator sourcesets:
207   In the target-dependent set lives CPU emulation, some device emulation and
208   much glue code. This sometimes also has to be compiled multiple times,
209   once for each target being built.  Target-dependent files are included
210   in the ``specific_ss`` sourceset.
212   Each emulator also includes sources for files in the ``hw/`` and ``target/``
213   subdirectories.  The subdirectory used for each emulator comes
214   from the target's definition of ``TARGET_BASE_ARCH`` or (if missing)
215   ``TARGET_ARCH``, as found in ``default-configs/targets/*.mak``.
217   Each subdirectory in ``hw/`` adds one sourceset to the ``hw_arch`` dictionary,
218   for example::
220     arm_ss = ss.source_set()
221     arm_ss.add(files('boot.c'), fdt)
222     ...
223     hw_arch += {'arm': arm_ss}
225   The sourceset is only used for system emulators.
227   Each subdirectory in ``target/`` instead should add one sourceset to each
228   of the ``target_arch`` and ``target_softmmu_arch``, which are used respectively
229   for all emulators and for system emulators only.  For example::
231     arm_ss = ss.source_set()
232     arm_system_ss = ss.source_set()
233     ...
234     target_arch += {'arm': arm_ss}
235     target_softmmu_arch += {'arm': arm_system_ss}
237 Module sourcesets:
238   There are two dictionaries for modules: ``modules`` is used for
239   target-independent modules and ``target_modules`` is used for
240   target-dependent modules.  When modules are disabled the ``module``
241   source sets are added to ``system_ss`` and the ``target_modules``
242   source sets are added to ``specific_ss``.
244   Both dictionaries are nested.  One dictionary is created per
245   subdirectory, and these per-subdirectory dictionaries are added to
246   the toplevel dictionaries.  For example::
248     hw_display_modules = {}
249     qxl_ss = ss.source_set()
250     ...
251     hw_display_modules += { 'qxl': qxl_ss }
252     modules += { 'hw-display': hw_display_modules }
254 Utility sourcesets:
255   All binaries link with a static library ``libqemuutil.a``.  This library
256   is built from several sourcesets; most of them however host generated
257   code, and the only two of general interest are ``util_ss`` and ``stub_ss``.
259   The separation between these two is purely for documentation purposes.
260   ``util_ss`` contains generic utility files.  Even though this code is only
261   linked in some binaries, sometimes it requires hooks only in some of
262   these and depend on other functions that are not fully implemented by
263   all QEMU binaries.  ``stub_ss`` links dummy stubs that will only be linked
264   into the binary if the real implementation is not present.  In a way,
265   the stubs can be thought of as a portable implementation of the weak
266   symbols concept.
269 The following files concur in the definition of which files are linked
270 into each emulator:
272 ``default-configs/devices/*.mak``
273   The files under ``default-configs/devices/`` control the boards and devices
274   that are built into each QEMU system emulation targets. They merely contain
275   a list of config variable definitions such as::
277     include arm-softmmu.mak
278     CONFIG_XLNX_ZYNQMP_ARM=y
279     CONFIG_XLNX_VERSAL=y
281 ``*/Kconfig``
282   These files are processed together with ``default-configs/devices/*.mak`` and
283   describe the dependencies between various features, subsystems and
284   device models.  They are described in :ref:`kconfig`
286 ``default-configs/targets/*.mak``
287   These files mostly define symbols that appear in the ``*-config-target.h``
288   file for each emulator [#cfgtarget]_.  However, the ``TARGET_ARCH``
289   and ``TARGET_BASE_ARCH`` will also be used to select the ``hw/`` and
290   ``target/`` subdirectories that are compiled into each target.
292 .. [#cfgtarget] This header is included by ``qemu/osdep.h`` when
293                 compiling files from the target-specific sourcesets.
295 These files rarely need changing unless you are adding a completely
296 new target, or enabling new devices or hardware for a particular
297 system/userspace emulation target
300 Adding checks
301 -------------
303 Compiler checks can be as simple as the following::
305   config_host_data.set('HAVE_BTRFS_H', cc.has_header('linux/btrfs.h'))
307 A more complex task such as adding a new dependency usually
308 comprises the following tasks:
310  - Add a Meson build option to meson_options.txt.
312  - Add code to perform the actual feature check.
314  - Add code to include the feature status in ``config-host.h``
316  - Add code to print out the feature status in the configure summary
317    upon completion.
319 Taking the probe for SDL2_Image as an example, we have the following
320 in ``meson_options.txt``::
322   option('sdl_image', type : 'feature', value : 'auto',
323          description: 'SDL Image support for icons')
325 Unless the option was given a non-``auto`` value (on the configure
326 command line), the detection code must be performed only if the
327 dependency will be used::
329   sdl_image = not_found
330   if not get_option('sdl_image').auto() or have_system
331     sdl_image = dependency('SDL2_image', required: get_option('sdl_image'),
332                            method: 'pkg-config')
333   endif
335 This avoids warnings on static builds of user-mode emulators, for example.
336 Most of the libraries used by system-mode emulators are not available for
337 static linking.
339 The other supporting code is generally simple::
341   # Create config-host.h (if applicable)
342   config_host_data.set('CONFIG_SDL_IMAGE', sdl_image.found())
344   # Summary
345   summary_info += {'SDL image support': sdl_image.found()}
347 For the configure script to parse the new option, the
348 ``scripts/meson-buildoptions.sh`` file must be up-to-date; ``make
349 update-buildoptions`` (or just ``make``) will take care of updating it.
352 Support scripts
353 ---------------
355 Meson has a special convention for invoking Python scripts: if their
356 first line is ``#! /usr/bin/env python3`` and the file is *not* executable,
357 find_program() arranges to invoke the script under the same Python
358 interpreter that was used to invoke Meson.  This is the most common
359 and preferred way to invoke support scripts from Meson build files,
360 because it automatically uses the value of configure's --python= option.
362 In case the script is not written in Python, use a ``#! /usr/bin/env ...``
363 line and make the script executable.
365 Scripts written in Python, where it is desirable to make the script
366 executable (for example for test scripts that developers may want to
367 invoke from the command line, such as tests/qapi-schema/test-qapi.py),
368 should be invoked through the ``python`` variable in meson.build. For
369 example::
371   test('QAPI schema regression tests', python,
372        args: files('test-qapi.py'),
373        env: test_env, suite: ['qapi-schema', 'qapi-frontend'])
375 This is needed to obey the --python= option passed to the configure
376 script, which may point to something other than the first python3
377 binary on the path.
380 Stage 3: Make
381 =============
383 The next step in building QEMU is to invoke make.  GNU Make is required
384 to build QEMU, and may be installed as ``gmake`` on some hosts.
386 The output of Meson is a ``build.ninja`` file, which is used with the
387 Ninja build tool.  However, QEMU's build comprises other components than
388 just the emulators (namely firmware and the tests in ``tests/tcg``) which
389 need different cross compilers.  The QEMU Makefile wraps both Ninja and
390 the smaller build systems for firmware and tests; it also takes care of
391 running ``configure`` again when the script changes.  Apart from invoking
392 these sub-Makefiles, the resulting build is largely non-recursive.
394 Tests, whether defined in ``meson.build`` or not, are also ran by the
395 Makefile with the traditional ``make check`` phony target, while benchmarks
396 are run with ``make bench``.  Meson test suites such as ``unit`` can be ran
397 with ``make check-unit``, and ``make check-tcg`` builds and runs "non-Meson"
398 tests for all targets.
400 If desired, it is also possible to use ``ninja`` and ``meson test``,
401 respectively to build emulators and run tests defined in meson.build.
402 The main difference is that ``make`` needs the ``-jN`` flag in order to
403 enable parallel builds or tests.
405 Useful make targets
406 -------------------
408 ``help``
409   Print a help message for the most common build targets.
411 ``print-VAR``
412   Print the value of the variable VAR. Useful for debugging the build
413   system.
416 Important files for the build system
417 ====================================
419 Statically defined files
420 ------------------------
422 The following key files are statically defined in the source tree, with
423 the rules needed to build QEMU. Their behaviour is influenced by a
424 number of dynamically created files listed later.
426 ``Makefile``
427   The main entry point used when invoking make to build all the components
428   of QEMU. The default 'all' target will naturally result in the build of
429   every component.
431 ``*/meson.build``
432   The meson.build file in the root directory is the main entry point for the
433   Meson build system, and it coordinates the configuration and build of all
434   executables.  Build rules for various subdirectories are included in
435   other meson.build files spread throughout the QEMU source tree.
437 ``tests/Makefile.include``
438   Rules for external test harnesses. These include the TCG tests
439   and the Avocado-based integration tests.
441 ``tests/docker/Makefile.include``
442   Rules for Docker tests. Like ``tests/Makefile.include``, this file is
443   included directly by the top level Makefile, anything defined in this
444   file will influence the entire build system.
446 ``tests/vm/Makefile.include``
447   Rules for VM-based tests. Like ``tests/Makefile.include``, this file is
448   included directly by the top level Makefile, anything defined in this
449   file will influence the entire build system.
451 Dynamically created files
452 -------------------------
454 The following files are generated at run-time in order to control the
455 behaviour of the Makefiles. This avoids the need for QEMU makefiles to
456 go through any pre-processing as seen with autotools, where configure
457 generates ``Makefile`` from ``Makefile.in``.
459 Built by configure:
461 ``config-host.mak``
462   When configure has determined the characteristics of the build host it
463   will write the paths to various tools to this file, for use in ``Makefile``
464   and to a smaller extent ``meson.build``.
466   ``config-host.mak`` is also used as a dependency checking mechanism. If make
467   sees that the modification timestamp on configure is newer than that on
468   ``config-host.mak``, then configure will be re-run.
470 ``config-meson.cross``
472   A Meson "cross file" (or native file) used to communicate the paths to
473   the toolchain and other configuration options.
475 ``config.status``
477   A small shell script that will invoke configure again with the same
478   environment variables that were set during the first run.  It's used to
479   rerun configure after changes to the source code, but it can also be
480   inspected manually to check the contents of the environment.
482 ``Makefile.prereqs``
484   A set of Makefile dependencies that order the build and execution of
485   firmware and tests after the container images and emulators that they
486   need.
488 ``pc-bios/*/config.mak``, ``tests/tcg/config-host.mak``, ``tests/tcg/*/config-target.mak``
490   Configuration variables used to build the firmware and TCG tests,
491   including paths to cross compilation toolchains.
493 ``pyvenv``
495   A Python virtual environment that is used for all Python code running
496   during the build.  Using a virtual environment ensures that even code
497   that is run via ``sphinx-build``, ``meson`` etc. uses the same interpreter
498   and packages.
500 Built by Meson:
502 ``config-host.h``
503   Used by C code to determine the properties of the build environment
504   and the set of enabled features for the entire build.
506 ``${TARGET-NAME}-config-devices.mak``
507   TARGET-NAME is the name of a system emulator. The file is
508   generated by Meson using files under ``configs/devices`` as input.
510 ``${TARGET-NAME}-config-target.mak``
511   TARGET-NAME is the name of a system or usermode emulator. The file is
512   generated by Meson using files under ``configs/targets`` as input.
514 ``$TARGET_NAME-config-target.h``, ``$TARGET_NAME-config-devices.h``
515   Used by C code to determine the properties and enabled
516   features for each target.  enabled.  They are generated from
517   the contents of the corresponding ``*.mak`` files using Meson's
518   ``configure_file()`` function; each target can include them using
519   the ``CONFIG_TARGET`` and ``CONFIG_DEVICES`` macro respectively.
521 ``build.ninja``
522   The build rules.
525 Built by Makefile:
527 ``Makefile.ninja``
528   A Makefile include that bridges to ninja for the actual build.  The
529   Makefile is mostly a list of targets that Meson included in build.ninja.
531 ``Makefile.mtest``
532   The Makefile definitions that let "make check" run tests defined in
533   meson.build.  The rules are produced from Meson's JSON description of
534   tests (obtained with "meson introspect --tests") through the script
535   scripts/mtest2make.py.