Linux内核是如何巧妙的初始化各个模块的
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2021-01-29 07:41
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。
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