FreeBSD 内核中的SYSINIT分析
【FreeBSD教程】FreeBSD kernel是一个膨大的系统, 对于这样一个大系统, 里面往往包含了大量的子系统和模块,当系统初始化时这些模块就需要初始化, 按照通常的思路,这些初始化过程必须在某处被显式地调用,这样一来,当你新增某个模块,你必须再修改那个系统初始化的地方来调用这个新增模块的初始化过程, 而且由于ANSI C语言的限制,调用某个函数最好先声明,这样当系统的初始化过程开始增加时, 那个调用初始化过程的文件开始大量包含那些本来不相关的头文件, 偶合度就增加了, 这是一种不好的设计.
FreeBSD为了应付这种情况, 使用一种叫做SYSINIT的机制. 我们知道FreeBSD使用一种叫做 ELF的二进制目标执行文件格式. 这种文件格式答应文件内部组织成结构化的方式, 文件内部可以由不同的组成部分(section), FreeBSD正是利用了这种机制.
FreeBSD使用GNU GCC作为其C语言编译器, 这种编译器答应在C源程序中嵌入汇编语言代码, FreeBSD通过在C源程序中加入汇编指令来在目标文件中增加额外的section, 在文件 /sys/sys/linker_set.h中定义如下:
#ifdef __alpha__
#define MAKE_SET(set, sym)
static void const * const __set_##set##_sym_##sym = &sym;
__asm(".align 3");
__asm(".section .set." #set ",/"aw/"");
__asm(".quad " #sym);
__asm(".previous")
#else
#define MAKE_SET(set, sym)
#define MAKE_SET(set, sym)
static void const * const __set_##set##_sym_##sym = &sym;
__asm(".section .set." #set ",/"aw/"");
__asm(".long " #sym);
__asm(".previous")
#endif
#define TEXT_SET(set, sym) MAKE_SET(set, sym)
#define DATA_SET(set, sym) MAKE_SET(set, sym)
程序一旦在某处调用DATA_SET宏指令, 就会将相应的汇编符号加入到目标文件. 例如: int myint;DATA_SET(myset, myint);
这两句话将导致在目标文件中创建一个myset section, 并且myint的地址将被放入这个 section中.
系统的初始化必须按严格的顺序进行, 为此FreeBSD定义了很多子系统的顺序号, 这些顺序连同SYSINIT的许多相关定义在/sys/sys/kernel.h头文件中:
enum sysinit_sub_id {
SI_SUB_DUMMY = 0x0000000, /* not executed; for linker*/
SI_SUB_DONE = 0x0000001, /* processed*/
SI_SUB_CONSOLE = 0x0800000, /* console*/
SI_SUB_COPYRIGHT = 0x0800001, /* first use of console*/
SI_SUB_TUNABLES = 0x0700000, /* establish tunable values */
SI_SUB_VM = 0x1000000, /* virtual memory system init*/
SI_SUB_KMEM = 0x1800000, /* kernel memory*/
SI_SUB_KVM_RSRC = 0x1A00000, /* kvm operational limits*/
SI_SUB_CPU = 0x1e00000, /* CPU resource(s)*/
SI_SUB_KLD = 0x1f00000, /* KLD and module setup */
SI_SUB_INTRINSIC = 0x2000000, /* proc 0*/
SI_SUB_VM_CONF = 0x2100000, /* config VM, set limits*/
SI_SUB_RUN_QUEUE = 0x2200000, /* the run queue*/
SI_SUB_CREATE_INIT = 0x2300000, /* create the init process */
SI_SUB_DRIVERS = 0x2400000, /* Let Drivers initialize */
SI_SUB_CONFIGURE = 0x3800000, /* Configure devices */
SI_SUB_VFS = 0x4000000, /* virtual file system*/
SI_SUB_CLOCKS = 0x4800000, /* real time and stat clocks*/
SI_SUB_MBUF = 0x5000000, /* mbufs*/
SI_SUB_CLIST = 0x5800000, /* clists*/
SI_SUB_SYSV_SHM = 0x6400000, /* System V shared memory*/
SI_SUB_SYSV_SEM = 0x6800000, /* System V semaphores*/
SI_SUB_SYSV_MSG = 0x6C00000, /* System V message queues*/
SI_SUB_P1003_1B = 0x6E00000, /* P1003.1B realtime */
SI_SUB_PSEUDO = 0x7000000, /* pseudo devices*/
SI_SUB_EXEC = 0x7400000, /* execve() handlers */
SI_SUB_PROTO_BEGIN = 0x8000000, /* XXX: set splimp (kludge)*/
...
};
子系统内还有顺序号:
enum sysinit_elem_order {
SI_ORDER_FIRST = 0x0000000, /* first*/
SI_ORDER_SECOND = 0x0000001, /* second*/
SI_ORDER_THIRD = 0x0000002, /* third*/
SI_ORDER_MIDDLE = 0x1000000, /* somewhere in the middle */
SI_ORDER_ANY = 0xfffffff /* last*/
};
FreeBSD为每个想要在系统初始化时被调用的函数, 定义两个函数类型:
typedef void (*sysinit_nfunc_t) __P((void *));
typedef void (*sysinit_cfunc_t) __P((const void *));
它们是系统初始化被调用时使用的函数原型.
两个重要的宏使得初始化函数能够在系统开始时被执行:
#define C_SYSINIT(uniquifier, subsystem, order, func, ident)
static struct sysinit uniquifier ## _sys_init = {
subsystem,
order,
func,
ident
};
DATA_SET(sysinit_set,uniquifier ## _sys_init);
#define SYSINIT(uniquifier, subsystem, order, func, ident)
C_SYSINIT(uniquifier, subsystem, order,
(sysinit_cfunc_t)(sysinit_nfunc_t)func, (void *)ident)
其中每个初始化函数被存储成这样一个结构:
struct sysinit {
unsigned int subsystem; /* subsystem identifier*/
unsigned int order; /* init order within subsystem*/
sysinit_cfunc_t func; /* function */
const void *udata; /* multiplexer/argument */
};
这个结构包含了子系统编号, 子系统中的顺序号, 初始化函数的地址, 以及这个函数使用的参数.
现在假如有个函数想要在系统启动时自动被调用, 并且知道这个函数是为VM子系统做预备工作, 可以这样申明:
long myvar;
void init_myvar(void *p)
{
*(long *)p = 2;
}
SYSINIT(init_myvar, SI_SUB_VM, 1000, init_myvar, &myvar)
这样声明的初始化过程分布在很多目标文件中, 当gcc的连接编辑器ld运行时就会把属于同一个section的数据合并到一个连续的地址块中. 由于在这个section中包含的只能是指向sysinit结构的指针,这样FreeBSD就可以把这个地址当成一个sysinit* 的数组, FreeBSD找出这个sysinit_set地址, 边历这个数组并调用其中的初始化函数. 为了确切知道这个section的大小(直接读ELF是可能的,但是那样太复杂,要知道kernel调用初始化过程时文件系统可能还没有初始化呢), 系统中包含一个工具 gensetdefs, 这个工具能扫描给出的一组.o目标文件, 并找到任何名字是由.set.开头的 section, 它统计有多少个这样的的初始化函数, 并在sysinit_set的开头生成一个长整形计数器. gensetdefs生成三个文件:
setdef0.c setdef1.c setdefs.h
文件setdef0.c的内容:
--------------------------------------------------------
/* THIS FILE IS GENERATED, DO NOT EDIT. */
#define DEFINE_SET(set, count)
__asm__(".section .set." #set ",/"aw/"");
__asm__(".globl " #set);
__asm__(".type " #set ",@object");
__asm__(".p2align 2");
__asm__(#set ":");
__asm__(".long " #count);
__asm__(".previous")
#include "setdefs.h" /* Contains a `DEFINE_SET' for each set */
--------------------------------------------------------
这里的DEFINE_SET效果就是申明一C结构:
struct linker_set {
int ls_length;
void *ls_items[1]; /* really ls_length of them,
* trailing NULL */
};
文件setdef1.c的内容:
--------------------------------------------------------
/* THIS FILE IS GENERATED, DO NOT EDIT. */
#define DEFINE_SET(set, count)
__asm__(".section .set." #set ",/"aw/"");
__asm__(".long 0");
__asm__(".previous")
#include "setdefs.h" /* Contains a `DEFINE_SET' for each set */
这个DEFINE_SET在某个section中放入一个 long 0.
--------------------------------------------------------
文件setdefs.h的内容:
DEFINE_SET(cons_set, 3);
DEFINE_SET(kbddriver_set, 2);
DEFINE_SET(periphdriver_set, 5);
DEFINE_SET(scrndr_set, 9);
DEFINE_SET(scterm_set, 1);
DEFINE_SET(sysctl_set, 552);
DEFINE_SET(sysinit_set, 323);
DEFINE_SET(sysuninit_set, 155);
DEFINE_SET(vga_set, 9);
DEFINE_SET(videodriver_set, 4);
当kernel被连接时, 在Makefile中setdef0.o被安排最前面, 这样ld就把这个初始化函数的计数器安排在这个section的最前面. FreeBSD kernel就能从这个section的开头读到这个计数器, 也就知道了有多少个初始化函数. 在Makefile中被安排在中间的的是FreeBSD的其他 .o文件, 最后由setdef1.o压阵. setdef1.c定义了一个空指针,用以表示这个section的结束 ,这种安排, 我把它叫做夹三明治.
初始化过程的调用被安排在内核 /sys/kern/init_main.c的mi_startup函数中, mi_startup 是系统启动过程中, 第一个被执行的C语言函数, 它做的第一件事情就是调用这些初始化函数, 开始时对所有的初始化过程做优先级排序, 然后顺序调用它们.
void
mi_startup(void)
{
register struct sysinit **sipp; /* system initialization*/
register struct sysinit **xipp; /* interior loop of sort*/
register struct sysinit *save; /* bubble*/
restart:
这是优先级别排序, 这里没有使用那个在setdef0.c中定义的计数器, 而是使用
了setdef1.c中定义的空指针作为结束标志.
/*
* Perform a bubble sort of the system initialization objects by
* their subsystem (primary key) and order (secondary key).
*/
for (sipp = sysinit; *sipp; sipp ) {
for (xipp = sipp 1; *xipp; xipp ) {
if ((*sipp)->subsystem < (*xipp)->subsystem ||
((*sipp)->subsystem == (*xipp)->subsystem &&
(*sipp)->order <= (*xipp)->order))
continue; /* skip*/
save = *sipp;
*sipp = *xipp;
*xipp = save;
}
}
/*
* Traverse the (now) ordered list of system initialization tasks.
* Perform each task, and continue on to the next task.
*
* The last item on the list is expected to be the scheduler,
* which will not return.
*/
for (sipp = sysinit; *sipp; sipp ) {
if ((*sipp)->subsystem == SI_SUB_DUMMY)
continue; /* skip dummy task(s)*/
这是按顺序调用:
/*
* Traverse the (now) ordered list of system initialization tasks.
* Perform each task, and continue on to the next task.
*
* The last item on the list is expected to be the scheduler,
* which will not return.
*/
for (sipp = sysinit; *sipp; sipp ) {
if ((*sipp)->subsystem == SI_SUB_DUMMY)
continue; /* skip dummy task(s)*/
if ((*sipp)->subsystem == SI_SUB_DONE)
continue;
/* Call function */
(*((*sipp)->func))((*sipp)->udata);
/* Check off the one we're just done */
(*sipp)->subsystem = SI_SUB_DONE;
/* Check if we've installed more sysinit items via KLD */
if (newsysinit != NULL) {
if (sysinit != (struct sysinit **)sysinit_set.ls_items)
free(sysinit, M_TEMP);
sysinit = newsysinit;
newsysinit = NULL;
goto restart;
}
}
panic("Shouldn't get here!");
}