Linux内核是如何巧妙的初始化各个模块的

Linux阅码场 2021-01-19 00:00

相信很多在研究linux内核源码的同学,经常会发现一些模块的初始化函数找不到调用者,比如下面的网络模块的初始化函数:


// net/ipv4/af_inet.cstatic int __init inet_init(void){        ... /* * Set the IP module up         */ ip_init();
/* Setup TCP slab cache for open requests. */ tcp_init();
/* Setup UDP memory threshold */ udp_init(); ...}fs_initcall(inet_init);


即使你在整个内核代码中搜索,也找不到任何地方调用这个函数,那这个函数到底是怎么调用的呢?


秘密就在这个函数之后的一行代码里:


fs_initcall( inet_init);


在该行代码中,fs_initcall是一个宏,具体定义如下:


// include/linux/init.h#define ___define_initcall(fn, id, __sec) \ static initcall_t __initcall_##fn##id __used \ __attribute__((__section__(#__sec ".init"))) = fn;...#define __define_initcall(fn, id) ___define_initcall(fn, id, .initcall##id)...#define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 5)


在该宏展开后,上面宏调用的结果,大致像下面这个样子:


static initcall_t __initcall_inet_init5 __attribute__((__section__(".initcall5.init"))) = inet_init;


由上可见,fs_initcall宏最终是定义了一个静态变量,该变量的类型是initcall_t,值是宏参数表示的函数地址。


initcall_t类型的定义如下:


typedef int (*initcall_t)(void);


由上可见,initcall_t是一个函数指针类型,它定义的变量会指向一个函数,该函数的参数要为空,返回类型要为int。


我们可以再看下上面的 inet_init 方法,该方法确实符合这些要求。


综上可知,fs_initcall宏定义了一个变量 __initcall_inet_init5,它的类型为initcall_t,它的值为inet_init函数的地址。


到这里我相信很多同学会想,linux内核一定是通过这个变量来调用inet_init函数的,对吗?


对,也不对。


对是因为内核确实是通过该变量指向的内存来获取inet_init方法的地址并调用该方法的。


不对是因为内核并不是通过上面的__initcall_inet_init5变量来访问这个内存的。


那不用这个变量,还能通过其他方式访问这个内存吗?


当然可以,这正是linux内核设计的巧妙之处。


我们再来看下上面的宏展开之后,静态变量__initcall_inet_init5的定义,在该定义中有如下的一些代码:


__attribute__((__section__(".initcall5.init")))


该部分代码并不属于c语言标准,而是gcc对c语言的扩展,它的作用是声明该变量属于 .initcall5.init这个section。


所谓section,我们可以简单的理解为对程序所占内存区域的一种布局和规划,比如我们常见的 section有 .text用来存放我们的代码,.data或.bss用来存放我们的变量。


通过这些section的定义,我们可以把程序中的相关功能放到同一块内存区域中,这样来方便内存管理。


除了这些默认的section之外,我们还可以通过gcc的attribute来自定义section,这样我们就可以把相关的函数或变量放到相同的section中了。


比如上面的__initcall_inet_init5变量就属于.initcall5.init这个自定义section


在定义了这些section之后,我们可以在链接脚本中告诉linker,这些section在内存中的位置及布局是什么样子的。


对于x86平台来说,内核的链接脚本是:


arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S


在该脚本中,对.initcall5.init等这些section做了相关定义,具体逻辑如下:


// include/asm-generic/vmlinux.lds.h#define INIT_CALLS_LEVEL(level) \ __initcall##level##_start = .; \ KEEP(*(.initcall##level##.init)) \ KEEP(*(.initcall##level##s.init)) \
#define INIT_CALLS \ __initcall_start = .; \ KEEP(*(.initcallearly.init)) \ INIT_CALLS_LEVEL(0) \ INIT_CALLS_LEVEL(1) \ INIT_CALLS_LEVEL(2) \ INIT_CALLS_LEVEL(3) \ INIT_CALLS_LEVEL(4) \ INIT_CALLS_LEVEL(5) \ INIT_CALLS_LEVEL(rootfs) \ INIT_CALLS_LEVEL(6) \ INIT_CALLS_LEVEL(7) \ __initcall_end = .;


由上可见,initcall相关的section有很多,我们上面例子中的.initcall5.init只是其中一个,除此之外还有 .initcall0.init,.initcall1.init等等这些section。


这些section都是通过宏INIT_CALLS_LEVEL来定义其处理规则的,相同level的section被放到同一块内存区域,不同level的section的内存区域按level大小依次连接在一起。


对于上面的__initcall_inet_init5变量来说,它的section是.initcall5.init,它的level是5。


假设我们还有其他方法调用了宏fs_initcall,那该宏为该方法定义的静态变量所属的section也是.initcall5.init,level也是5。


由于该变量和__initcall_inet_init5变量所属的initcall的level都相同,所以它们被连续放在同一块内存区域里。


也就是说,这些level为5的静态变量所占的内存区域是连续的,又因为这些变量的类型都为initcall_t,所以它们正好构成了一个类型为initcall_t的数组,而数组的起始地址也在INIT_CALLS_LEVEL宏中定义了,就是__initcall5_start


如果我们想要调用这些level为5的initcall,只要先拿到__initcall5_start地址,把其当成元素类型为initcall_t的数组的起始地址,然后遍历数组中的元素,获取该元素对应的函数指针,就可以通过该指针调用对应的函数了。


来看下具体代码:


// init/main.cextern initcall_entry_t __initcall_start[];extern initcall_entry_t __initcall0_start[];extern initcall_entry_t __initcall1_start[];extern initcall_entry_t __initcall2_start[];extern initcall_entry_t __initcall3_start[];extern initcall_entry_t __initcall4_start[];extern initcall_entry_t __initcall5_start[];extern initcall_entry_t __initcall6_start[];extern initcall_entry_t __initcall7_start[];extern initcall_entry_t __initcall_end[];
static initcall_entry_t *initcall_levels[] __initdata = { __initcall0_start, __initcall1_start, __initcall2_start, __initcall3_start, __initcall4_start, __initcall5_start, __initcall6_start, __initcall7_start, __initcall_end,};
static void __init do_initcall_level(int level){        initcall_entry_t *fn;        ... for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++) do_one_initcall(initcall_from_entry(fn));}
static void __init do_initcalls(void){ int level;
for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++) do_initcall_level(level);}


在上面的代码中,do_initcalls方法遍历了所有的合法level,对于每个level,do_initcall_level方法又调用了该level里所有函数指针指向的函数


我们上面示例中的inet_init方法就属于level 5,也是在这里被调用到的。


linux内核就是通过这种方式来调用各个模块的初始化方法的,很巧妙吧。


最后我们再来总结下:


1. 在各模块的初始化方法之后,一般都会调用一个类似于fs_initcall(inet_init)的宏,该宏的参数是该模块的初始化方法的方法名。


2. 该宏展开后的结果是定义一个静态变量,该变量通过gcc的attribute来声明其所属的initcall level的section,比如inet_init方法对应的静态变量就属于.initcall5.init这个section。


3. 在linux的链接脚本里,通过INIT_CALLS_LEVEL宏告知linker,将属于同一level的所有静态变量放到连续的一块内存中,组成一个元素类型为initcall_t的数组,该数组的起始地址放在类似__initcall5_start的变量中。


4. 在内核的初始化过程中,会通过调用 do_initcalls方法,遍历各个level里的各个函数指针,然后调用该指针指向的方法,即各模块的初始化方法。


各个模块的初始化方法就是这样被调用的。


希望你喜欢。

(END)

   


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