Linux內核是怎么巧妙的初始化各個模塊的

相信很多在研究linux內核源碼的同學，經常會發現一些模塊的初始化函數找不到調用者，比如下面的網絡模塊的初始化函數：

// 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);

即使你在整個內核代碼中搜索，也找不到任何地方調用這個函數，那這個函數到底是怎么調用的呢？

秘密就在這個函數之后的一行代碼里：

fs_initcall( inet_init);

在該行代碼中，fs_initcall是一個宏，具體定義如下：

// 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)

在該宏展開后，上面宏調用的結果，大致像下面這個樣子：

static initcall_t __initcall_inet_init5 __attribute__((__section__(".initcall5.init"))) = inet_init;

由上可見，fs_initcall宏最終是定義了一個靜態變量，該變量的類型是initcall_t，值是宏參數表示的函數地址。

initcall_t類型的定義如下：

typedef int (*initcall_t)(void);

由上可見，initcall_t是一個函數指針類型，它定義的變量會指向一個函數，該函數的參數要為空，返回類型要為int。

我們可以再看下上面的 inet_init 方法，該方法確實符合這些要求。

綜上可知，fs_initcall宏定義了一個變量 __initcall_inet_init5，它的類型為initcall_t，它的值為inet_init函數的地址。

到這里我相信很多同學會想，linux內核一定是通過這個變量來調用inet_init函數的，對嗎？

對，也不對。

對是因為內核確實是通過該變量指向的內存來獲取inet_init方法的地址并調用該方法的。

不對是因為內核并不是通過上面的__initcall_inet_init5變量來訪問這個內存的。

那不用這個變量，還能通過其他方式訪問這個內存嗎？

當然可以，這正是linux內核設計的巧妙之處。

我們再來看下上面的宏展開之后，靜態變量__initcall_inet_init5的定義，在該定義中有如下的一些代碼：

__attribute__((__section__(".initcall5.init")))

該部分代碼并不屬于c語言標準，而是gcc對c語言的擴展，它的作用是聲明該變量屬于 .initcall5.init這個section。

所謂section，我們可以簡單的理解為對程序所占內存區域的一種布局和規劃，比如我們常見的 section有 .text用來存放我們的代碼，.data或.bss用來存放我們的變量。

通過這些section的定義，我們可以把程序中的相關功能放到同一塊內存區域中，這樣來方便內存管理。

除了這些默認的section之外，我們還可以通過gcc的attribute來自定義section，這樣我們就可以把相關的函數或變量放到相同的section中了。

比如上面的__initcall_inet_init5變量就屬于.initcall5.init這個自定義section。

在定義了這些section之后，我們可以在鏈接腳本中告訴linker，這些section在內存中的位置及布局是什么樣子的。

對于x86平臺來說，內核的鏈接腳本是：

arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S

在該腳本中，對.initcall5.init等這些section做了相關定義，具體邏輯如下：

// 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 = .;

由上可見，initcall相關的section有很多，我們上面例子中的.initcall5.init只是其中一個，除此之外還有 .initcall0.init，.initcall1.init等等這些section。

這些section都是通過宏INIT_CALLS_LEVEL來定義其處理規則的，相同level的section被放到同一塊內存區域，不同level的section的內存區域按level大小依次連接在一起。

對于上面的__initcall_inet_init5變量來說，它的section是.initcall5.init，它的level是5。

假設我們還有其他方法調用了宏fs_initcall，那該宏為該方法定義的靜態變量所屬的section也是.initcall5.init，level也是5。

由于該變量和__initcall_inet_init5變量所屬的initcall的level都相同，所以它們被連續放在同一塊內存區域里。

也就是說，這些level為5的靜態變量所占的內存區域是連續的，又因為這些變量的類型都為initcall_t，所以它們正好構成了一個類型為initcall_t的數組，而數組的起始地址也在INIT_CALLS_LEVEL宏中定義了，就是__initcall5_start。

如果我們想要調用這些level為5的initcall，只要先拿到__initcall5_start地址，把其當成元素類型為initcall_t的數組的起始地址，然后遍歷數組中的元素，獲取該元素對應的函數指針，就可以通過該指針調用對應的函數了。

來看下具體代碼：

// 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 for (level = 0; level 

在上面的代碼中，do_initcalls方法遍歷了所有的合法level，對于每個level，do_initcall_level方法又調用了該level里所有函數指針指向的函數。

我們上面示例中的inet_init方法就屬于level 5，也是在這里被調用到的。

linux內核就是通過這種方式來調用各個模塊的初始化方法的，很巧妙吧。

最后我們再來總結下：

\1. 在各模塊的初始化方法之后，一般都會調用一個類似于fs_initcall(inet_init)的宏，該宏的參數是該模塊的初始化方法的方法名。

\2. 該宏展開后的結果是定義一個靜態變量，該變量通過gcc的attribute來聲明其所屬的initcall level的section，比如inet_init方法對應的靜態變量就屬于.initcall5.init這個section。

\3. 在linux的鏈接腳本里，通過INIT_CALLS_LEVEL宏告知linker，將屬于同一level的所有靜態變量放到連續的一塊內存中，組成一個元素類型為initcall_t的數組，該數組的起始地址放在類似__initcall5_start的變量中。

\4. 在內核的初始化過程中，會通過調用 do_initcalls方法，遍歷各個level里的各個函數指針，然后調用該指針指向的方法，即各模塊的初始化方法。