Linux内核是如何巧妙的初始化各个模块的-linux内核深度解析

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.c  
static 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.c  
extern 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。