• Linux内核很吊之 module_init解析 (下)【转】


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    Linux内核很吊之 module_init解析 (下)
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    http://blog.csdn.net/richard_liujh/article/details/46758073 -- 刘金辉

    忙了一段时间,终于有时间把inux内核很吊之 module_init解析 (下)整理完毕。

    从上一篇博文http://blog.csdn.net/richard_liujh/article/details/45669207介绍了module_init宏函数,简单来说上篇博文介绍module_init如何注册驱动的init函数,这篇博文将详细分析kernel启动过程又是如何执行我们注册的init函数。

    如果了解过linux操作系统启动流程,那么当bootloader加载完kernel并解压并放置与内存中准备开始运行,首先被调用的函数是start_kernel。start_kernel函数顾名思义,内核从此准备开启了,但是start_kernel做的事情非常多,简单来说为内核启动做准备工作,复杂来说也是非常之多(包含了自旋锁检查、初始化栈、CPU中断、立即数、初始化页地址、内存管理等等等...)。所以这篇博文我们还是主要分析和module_init注册函数的执行过程。

    start_kernel函数在 init/main.c文件中,由于start_kernel本身功能也比较多,所以为了简介分析过程我把函数从start_kernel到do_initcalls的调用过程按照如下方式展现出来


    start_kernel -> reset_init -> kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
    |
    |->static int __ref kernel_init(void *unused)
    |
    |-> kernel_init_freeable( )
    |
    |-> do_basic_setup();
    |
    |——> do_initcalls();
    在上面的调用过程中,通过kernel_thread注册了一个任务kernel_init,kernel_thread的函数原型如下。
    /*
    * Create a kernel thread.
    */
    pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
    {
    return do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, (unsigned long)fn,
    (unsigned long)arg, NULL, NULL);
    }
    kernel_thread创建了一个内核线程,也就是创建一个线程完成kernel_init的任务。通过kernel_init的逐层调用,最后调用到我们目前最应该关心的函数do_initcalls;
    do_initcalls函数如下

    static void __init do_initcalls(void)
    {
    int level;

    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
    do_initcall_level(level);
    }
    这个函数看起来就非常简单了,里面有for循环,每循环一次就调用一次do_initcall_level(level);其实可以发现在我们分析kernel源码时,大部分函数都能从函数名猜到函数的功能,这也是一名优秀程序猿的体现,大道至简,悟在天成。

    接下来我们就开始具体分析do_initcalls函数啦~~

    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
    这句for循环很简单,循环执行条件是level < ARRAY_SIZE(initcall_levels)。
    ARRAY_SIZE是一个宏,用于求数组元素的个数,在文件includelinuxkernel.h文件中

    #define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]) + __must_be_array(arr))
    当然ARRAY_SIZE宏里面还多了一个__must_be_array(),这个主要是确保我们传过来的arr是一个数组,防止ARRAY_SIZE的误用。所以在我们写kernel驱动程序时,遇到需要求一个数组的大小请记得使用ARRAY_SIZE。有安全感又高大上...哈哈

    那么,initcall_levels是不是数组呢?如果是,里面有什么内容?

    还是在文件main.c中有数组initcall_levels的定义

    static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {
    __initcall0_start,
    __initcall1_start,
    __initcall2_start,
    __initcall3_start,
    __initcall4_start,
    __initcall5_start,
    __initcall6_start,
    __initcall7_start,
    __initcall_end,
    };
    这个数组可不能小看他,如果看过module_init解析(上)的朋友,对数组里面的名字“__initcall0 __initcall1 ... __initcall7”有一点点印象吧。
    谈到数组,我们知道是元素的集合,那么initcall_levels数组中得元素是什么???(看下面的分析前,请先弄清楚数组指针 和指针数组的区别,不然容易走火入魔...)

    static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {
    很显然,这个数组定义非常高大上。不管如何高大上,总离不开最基本的知识吧。所以我先从两点去探索:
    1. 数组的名字,根据数组标志性的‘[ ]’,我们应该很容易知道数组名字是initcall_levels

    2.数组的元素类型,由于定义中出现了指针的符号‘ * ’,也很容知道initcall_levels原来是一个指针数组啦。

    所以现在我们知道了initcall_levels数组里面保存的是指针啦,也就是指针的一个集合而已。掰掰脚趾数一下也能知道initcall_levels数组里面有9个元素,他们都是指针。哈哈

    对于这个数组,我们先暂且到这儿,因为我们已经知道了数组的个数了,也就知道for循环的循环次数。(后面还会继续分析这个数组,所以要由印象)

    我们再回来看看do_initcalls:

    static void __init do_initcalls(void)
    {
    int level;

    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
    do_initcall_level(level);
    }
    ARRAY_SIZE求出了数组initcall_levels的元素个数为9,所以level变量从 0 ~ 7都是满足level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1既level < 9 - 1。一共循环了8次。
    循环8此就调用了do_initcall_level(level) 8次。
    do_initcall_level函数原型如下:

    static void __init do_initcall_level(int level)
    {
    extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
    initcall_t *fn;

    strcpy(static_command_line, saved_command_line);
    parse_args(initcall_level_names[level],
    static_command_line, __start___param,
    __stop___param - __start___param,
    level, level,
    &repair_env_string);

    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
    do_one_initcall(*fn);
    }
    在do_initcall_level函数中,有如下部分是和内核初始化过程调用parse_args对选项进行解析并调用相关函数去处理的。其中的__start___param和__stop___param也是可以在内核链接脚本vmlinux.lds中找到的。

    extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

    strcpy(static_command_line, saved_command_line);
    parse_args(initcall_level_names[level],
    static_command_line, __start___param,
    __stop___param - __start___param,
    level, level,
    &repair_env_string);
    如果将上面初始化过程中命令行参数解析过程忽略,那么就剩下的内容也就是我们最想看到的内容了
    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
    do_one_initcall(*fn);
    这个也很简单,不就是一个for循环嘛,so easy~!!

    那么接下来我们就开始分析这个for循环:

    1. for循环开始,fn = initcall_levels[level],initcall_levels是上面分析过的数组,数组里面存放着指针,所以fn也应该是指针咯。那么看看fn的定义

    initcall_t *fn;
    fn确实是一个initcall_t类型的指针,那initcall_t是什么?
    在文件includelinuxinit.h文件中找到其定义

    /*
    * Used for initialization calls..
    */
    typedef int (*initcall_t)(void);
    typedef void (*exitcall_t)(void);
    从上面的定义可以知道,initcall_t原来是一个函数指针的类型定义。函数的返回值是int类型,参数是空 void。从注释也可以看出,initcall_t是初始化调用的。
    简单来说,fn是一个函数指针。
    2. 每循环一次,fn++。循环执行的条件是fn < initcall_levels[level+1];

    这里fn++就不是很容易理解了,毕竟不是一个普通的变量而是一个函数指针,那么fn++有何作用呢??

    首先,fn = initcall_levels[level],所以我们还是有必要去再看看initcall_levels数组了(之前暂时没有分析的,现在开始分析了)

    static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {
    __initcall0_start,
    __initcall1_start,
    __initcall2_start,
    __initcall3_start,
    __initcall4_start,
    __initcall5_start,
    __initcall6_start,
    __initcall7_start,
    __initcall_end,
    };
    已经知道了initcall_levels是一个指针数组,也就是说数组的元素都是指针,指针是指向什么类型的数据呢? 是initcall_t类型的,上面刚刚分析过initcall_t是函数指针的类型定义。
    这样一来,initcall_levels数组里面保存的元素都是函数指针啦。

    很显然这是通过枚举的方式定义了数组initcall_levels,那么元素值是多少??(数组中元素是分别是 __initcall0_start __initcall1_start __initcall2_start ... __initcall7_start __initcall_end)

    通过寻找会发现在main.c文件中有如下的声明

    extern initcall_t __initcall_start[];
    extern initcall_t __initcall0_start[];
    extern initcall_t __initcall1_start[];
    extern initcall_t __initcall2_start[];
    extern initcall_t __initcall3_start[];
    extern initcall_t __initcall4_start[];
    extern initcall_t __initcall5_start[];
    extern initcall_t __initcall6_start[];
    extern initcall_t __initcall7_start[];
    extern initcall_t __initcall_end[];
    所以__initcall0_start __initcall1_start __initcall2_start ... __initcall7_start __initcall_end都是initcall_t类型的数组名,数组名也就是指针。只是这些都是extern声明的,所以在本文件里面找不到他们的定义出。那么他们在哪一个文件??答案还是 链接脚本 vmlinux.lds,而且我们已经看过这些名字很多次了...
    下面再次把链接脚本中相关的内容拿出来:(相关的解释请参考 module_init 解析--上)

    __init_begin = .;
    . = ALIGN(4096); .init.text : AT(ADDR(.init.text) - 0) { _sinittext = .; *(.init.text) *(.cpuinit.text) *(.meminit.text) _einittext = .; }
    .init.data : AT(ADDR(.init.data) - 0) { *(.init.data) *(.cpuinit.data) *(.meminit.data) *(.init.rodata) *(.cpuinit.rodata) *(.meminit.rodata) . = ALIGN(32); __dtb_start = .; *(.dtb.init.rodata) __dtb_end = .; . = ALIGN(16); __setup_start = .; *(.init.setup) __setup_end = .; __initcall_start = .; *(.initcallearly.init) __initcall0_start = .; *(.initcall0.init) *(.initcall0s.init) __initcall1_start = .; *(.initcall1.init) *(.initcall1s.init) __initcall2_start = .; *(.initcall2.init) *(.initcall2s.init) __initcall3_start = .; *(.initcall3.init) *(.initcall3s.init) __initcall4_start = .; *(.initcall4.init) *(.initcall4s.init) __initcall5_start = .; *(.initcall5.init) *(.initcall5s.init) __initcallrootfs_start = .; *(.initcallrootfs.init) *(.initcallrootfss.init) __initcall6_start = .; *(.initcall6.init) *(.initcall6s.init) __initcall7_start = .; *(.initcall7.init) *(.initcall7s.init) __initcall_end = .; __con_initcall_start = .; *(.con_initcall.init) __con_initcall_end = .; __security_initcall_start = .; *(.security_initcall.init) __security_initcall_end = .; . = ALIGN(4); __initramfs_start = .; *(.init.ramfs) . = ALIGN(8); *(.init.ramfs.info) }
    . = ALIGN(4);
    所以在main.c文件中extern声明的那些数组__initcall0_start  ... __initcall7_start __initcall_end其实就是上面链接脚本vmlinux.lds中定义的标号(也可以暂且简单粗暴认为是地址)。
    为了好理解,把其中的__initcall0_start单独拿出来
    __initcall0_start = .; *(.initcall0.init) *(.initcall0s.init)
    这里的意思是,__initcall0_start 是一段地址的开始,从这个地址开始链接所有.initcall0.init和.initcall0s.init段的内容。那.initcall0.init和.initcall0s.init段有什么东东??这就是上篇博文中解释的。简单来说,就是我们通过module_init(xxx)添加的内容,只是module_init对应的level值默认为6而已。
    总而言之,__initcallN_start(其中N = 0,1,2...7)地址开始存放了一系列优先级为N的函数。我们通过module_init注册的函数优先级为6

    现在我们回过头再去看看上面的for循环

    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
    <span style="white-space: pre;"> </span>do_one_initcall(*fn);
    一开始fn = initcall_levels[level],假设level = 0。也就是fn = initcall_levels[0] = __initcall0_start。所以fn指向了链接脚本中的__initcall0_start地址,每当fn++也就是fn逐次指向注册到.initcall0.init和.initcall0s.init段中的函数地址了。for循环的条件是fn < initcall_levels[level + 1] = initcall_levels[0 + 1] = initcall_level[1] = __initcall1_start。

    为了能直观看出fn增加的范围,用如下的简易方式表达一下。

    __initcall0_start  __initcall1_start  __initcall2_start  __initcall3_start ... ... __initcall7_start     __initcall_end

    | <--- fn++ -->|| <--- fn++ -->| | <--- fn++ ->| | <-- fn++ -->|  ... ...  | <--- fn++ -->|  END

    了解这一点,我们已经接近胜利的彼岸~~

    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
    do_one_initcall(*fn);
    最后我们要了解的就是for循环每次执行的内容do_one_initcall(*fn),其函数原型如下
    int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)
    {
    int count = preempt_count();
    int ret;

    if (initcall_debug)
    ret = do_one_initcall_debug(fn);
    else
    ret = fn();

    msgbuf[0] = 0;

    if (preempt_count() != count) {
    sprintf(msgbuf, "preemption imbalance ");
    preempt_count() = count;
    }
    if (irqs_disabled()) {
    strlcat(msgbuf, "disabled interrupts ", sizeof(msgbuf));
    local_irq_enable();
    }
    WARN(msgbuf[0], "initcall %pF returned with %s ", fn, msgbuf);

    return ret;
    }
    do_one_initcall函数就非常简单了,让我们看看最重要的内容如下
    if (initcall_debug)
    ret = do_one_initcall_debug(fn);
    else
    ret = fn();
    这里就是判断是不是debug模式,无非debug会多一些调试的操作。但是不管是哪一种,他们都执行 ret = fn( );
    因为fn就是函数指针,fn指向的是我们注册到__initcall0_start  ... __initcall7_start的一系列函数。所以 fn( ); 就是调用这些函数。当然也包括了驱动中module_init注册的函数啦,只是通过module_init注册的level等级是6,for循环是从level = 0开始的,这也能看出0是优先级最高,7是优先级最低的。
    到现在,module_init的作用已经全部分析完毕~
    ---------------------
    作者:Richard_LiuJH
    来源:CSDN
    原文:https://blog.csdn.net/richard_liujh/article/details/46758073
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