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include\linux\kernel.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include\linux\init.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数组指针啦。

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\n", 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~