Linux TCP/IP协议栈学习
（一）系统初始化
Daniel Wood 20110307
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文章出处：http://danielwood.cublog.cn
作者：Daniel Wood
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写在前面的话:前些日子在网上下到一本《Linux TCP/IP 协议栈分析》，自己本来对协议比较感兴趣，所以慢慢地看起，希望把这本数一张一张地看清楚，搞明白，因为大学以后就没有认认真真地看过书了，希望自己能坚持下去。
注：《Linux TCP/IP 协议栈分析》的源代码版本是2.6.18，我的源代码版本是2.6.36。下文中不注明版本的都为2.6.36，《书》指《Linux TCP/IP 协议栈分析》。
1. 系统初始化
一切的一切还是从最源头说起，那就是系统的启动，不过这里的启动并不是从加电的一瞬间开始，而是从init/main.c的start_kernel函数开始，先来看一下它的源代码。
main.c [\init]
|
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
char * command_line;
extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
smp_setup_processor_id();
/*
* Need to run as early as possible, to initialize the
* lockdep hash:
*/
lockdep_init();
debug_objects_early_init();
/*
* Set up the the initial canary ASAP:
*/
boot_init_stack_canary();
cgroup_init_early();
local_irq_disable();
early_boot_irqs_off();
early_init_irq_lock_class();
/*
* Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
* enable them
*/
tick_init();
...
...
/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
rest_init();
}
|
函数中包含了很多初始化系统所要做的工作，我们关心的是它的最后一个函数调用，rest_init。我们步步跟进：
main.c [\init]
|
static noinline void __init_refok rest_init(void)
__releases(kernel_lock)
{
int pid;
rcu_scheduler_starting();
/*
* We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
* the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
* we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
*/
kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
numa_default_policy();
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
rcu_read_lock();
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
rcu_read_unlock();
complete(&kthreadd_done);
/*
* The boot idle thread must execute schedule()
* at least once to get things moving:
*/
init_idle_bootup_task(current);
preempt_enable_no_resched();
schedule();
preempt_disable();
/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
cpu_idle();
}
|
好吧，我们只抓最主要的，为什么呢？因为其他函数我还不明白：-）我们只关注协议栈相关的，所以有本好书来指导还是相当有好处的。
在rest_init函数里面最主要的工作就是启动了一个线程kernel_init。不过在《书》中的2.6.18版本这个线程的名字是init，调用如下：
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kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
|
好吧，我们来看一下kernel_init线程执行了哪些。（又贴代码了，真的是代码工啊，用代码说话^_^）
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static int __init kernel_init(void * unused)
{
/*
* Wait until kthreadd is all set-up.
*/
wait_for_completion(&kthreadd_done);
/*
* init can allocate pages on any node
*/
set_mems_allowed(node_states[N_HIGH_MEMORY]);
/*
* init can run on any cpu.
*/
set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask);
/*
* Tell the world that we're going to be the grim
* reaper of innocent orphaned children.
*
* We don't want people to have to make incorrect
* assumptions about where in the task array this
* can be found.
*/
init_pid_ns.child_reaper = current;
cad_pid = task_pid(current);
smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);
do_pre_smp_initcalls();
smp_init();
sched_init_smp();
do_basic_setup();
/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");
(void) sys_dup(0);
(void) sys_dup(0);
/*
* check if there is an early userspace init. If yes, let it do all
* the work
*/
if (!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command = "/init";
if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
ramdisk_execute_command = NULL;
prepare_namespace();
}
/*
* Ok, we have completed the initial bootup, and
* we're essentially up and running. Get rid of the
* initmem segments and start the user-mode stuff..
*/
init_post();
return 0;
}
|
关键部分是do_basic_setup函数：
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static void __init do_basic_setup(void)
{
cpuset_init_smp();
usermodehelper_init();
init_tmpfs();
driver_init();
init_irq_proc();
do_ctors();
do_initcalls();
}
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很快就到尽头了，下面一个是do_initcalls：
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static void __init do_initcalls(void)
{
initcall_t *fn;
for (fn = __early_initcall_end; fn < __initcall_end; fn++)
do_one_initcall(*fn);
/* Make sure there is no pending stuff from the initcall sequence */
flush_scheduled_work();
}
|
终于到了，这个for循环就是我们的主角。先来看看两个循环变量的定义：
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extern initcall_t __initcall_start[], __initcall_end[], __early_initcall_end[];
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这两个变量在.c和.h文件中是找不到的，因为他们定义在链接脚本中，关于链接脚本可以参考《GNU_链接脚本分析》，另外建议你同时参看我的博文《ELF文件格式学习》。
Linux创建内核的链接脚本是arch\x86\kernel目录下的vmlinux.lsd.S，而在2.6.18中，上述变量是定义在该链接脚本中的，2.6.18中的目录是arch\i386\kernel，后来的Linux版本把i386和x86_64目录合并成x86目录。而且2.6.18中没有__early_initcall_end这个变量。
vmlinux.lsd.S [arch\i386\kernel] (2.6.18)
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__initcall_start = .;
.initcall.init : AT(ADDR(.initcall.init) - LOAD_OFFSET) {
*(.initcall1.init)
*(.initcall2.init)
*(.initcall3.init)
*(.initcall4.init)
*(.initcall5.init)
*(.initcall6.init)
*(.initcall7.init)
}
__initcall_end = .;
|
而在2.6.36中则不同，它定义了一个链接脚本的头文件vmlinux.lds.h，在目录include\asm-generic下。这个头文件是通用的，其他的平台如arm的vmlinux.lds.S [arch\arm\kernel]，也会用到里面定义的变量/宏。
vmlinux.lds.h [include\asm-generic]
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#define INITCALLS \
*(.initcallearly.init) \
VMLINUX_SYMBOL(__early_initcall_end) = .; \
*(.initcall0.init) \
*(.initcall0s.init) \
*(.initcall1.init) \
*(.initcall1s.init) \
*(.initcall2.init) \
*(.initcall2s.init) \
*(.initcall3.init) \
*(.initcall3s.init) \
*(.initcall4.init) \
*(.initcall4s.init) \
*(.initcall5.init) \
*(.initcall5s.init) \
*(.initcallrootfs.init) \
*(.initcall6.init) \
*(.initcall6s.init) \
*(.initcall7.init) \
*(.initcall7s.init)
#define INIT_CALLS \
VMLINUX_SYMBOL(__initcall_start) = .; \
INITCALLS \
VMLINUX_SYMBOL(__initcall_end) = .;
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在INITCALLS 宏中定义了__early_initcall_end 这个变量，而INIT_CALLS宏中又包含了INITCALLS 宏以及__initcall_start和__initcall_end变量，__initcall_start用在main.c的do_pre_smp_initcalls函数中。
而INIT_CALLS宏又被包含在宏INIT_DATA_SECTION(initsetup_align)中，所以在内核链接脚本vmlinux.lds.S中只能看到宏INIT_DATA_SECTION(initsetup_align)。
vmlinux.lds.h [include\asm-generic]
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#define INIT_DATA_SECTION(initsetup_align) \
.init.data : AT(ADDR(.init.data) - LOAD_OFFSET) { \
INIT_DATA \
INIT_SETUP(initsetup_align) \
INIT_CALLS \
CON_INITCALL \
SECURITY_INITCALL \
INIT_RAM_FS \
}
|
vmlinux.lds.S [arch\x86\kernel]
|
...
INIT_DATA_SECTION(16)
...
|
好了，找到这两个变量定义在vmlinux.lsd.h中，do_initcalls函数会调用在这两个变量之间定义的函数。这里有一个问题：这两个变量之间的*(.initcall*.init)中存放着什么函数调用呢？？
在解决这个问题之前，我们先来总结一下上述的调用过程：
start_kernelàrest_initàkernel_thread(kernel_init)à do_basic_setupàdo_initcallsèfor (fn = __early_initcall_end; fn < __initcall_end; fn++)
下面我们来看解决上面的问题。我们从include\linux\init.h入手。先抓一些亮眼的东西。
init.h[include\linux]
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#define pure_initcall(fn) __define_initcall("0",fn,0)
#define core_initcall(fn) __define_initcall("1",fn,1)
#define core_initcall_sync(fn) __define_initcall("1s",fn,1s)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall("2",fn,2)
#define postcore_initcall_sync(fn) __define_initcall("2s",fn,2s)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall("3",fn,3)
#define arch_initcall_sync(fn) __define_initcall("3s",fn,3s)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall("4",fn,4)
#define subsys_initcall_sync(fn) __define_initcall("4s",fn,4s)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall("5",fn,5)
#define fs_initcall_sync(fn) __define_initcall("5s",fn,5s)
#define rootfs_initcall(fn) __define_initcall("rootfs",fn,rootfs)
#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn,6)
#define device_initcall_sync(fn) __define_initcall("6s",fn,6s)
#define late_initcall(fn) __define_initcall("7",fn,7)
#define late_initcall_sync(fn) __define_initcall("7s",fn,7s)
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这里的定义貌似在__early_initcall_end变量定义的时候看到过啊，没错！凡是通过这些宏定义的其实都是放在__early_initcall_end和__initcall_end之间的函数。我们来看看__define_initcall的具体定义。
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#define __define_initcall(level,fn,id) \
static initcall_t __initcall_##fn##id __used \
__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn
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这里出现了一个__attribute__，顺带讲一下，这个是GCC的扩展，上述的语句表示将fn函数放到名为”.initcall.level.init”的section中，如果对于section不清楚的话，可以参考我的博文《ELF文件格式》，对其有个大概了解。
好了顺带讲一下另外一个宏定义：
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#define module_init(x) __initcall(x);
...
#define __initcall(fn) device_initcall(fn)
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module_init这个宏相信在许多驱动程序中都是司空见惯的，其实它都指向device_initcall这个宏，也就是说会被放到initcall.6.init这个section中。
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