利用__attribute__((section()))构建初始化函数表【转】

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原创 2018-01-11 廖威雄 Linuxer

本文详细讲解了利用__attribute__((section()))构建初始化函数表，以及Linux内核各级初始化的原理。

 

作者简介：

廖威雄，2016年本科毕业于暨南大学，目前就职于珠海全志科技股份有限公司从事linux嵌入式系统(Tina Linux)的开发，主要负责文件系统和存储的开发和维护，兼顾linux测试系统的设计和持续集成的维护。

拆书帮珠海百岛分舵的组织长老，二级拆书家，热爱学习，热爱分享。

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问题导入

传统的应用编写时，每添加一个模块，都需要在main中添加新模块的初始化

使用__attribute__((section()))构建初始化函数表后，由模块告知main：“我要初始化“，添加新模块再也不需要在main代码中显式调用模块初始化接口。

以此实现main与模块之间的隔离，main不再关心有什么模块，模块的删减也不需要修改main。

那么，如何实现这个功能呢？如何实现DECLARE_INIT呢？联想到内核驱动，所有内核驱动的初始化函数表在哪里？为什么添加一个内核驱动不需要修改初始化函数表？

下文会从 构建初始化函数表的原理分析、分析内核module_init实现、演练练习 的3个角度给小伙伴分享。

构建初始化函数表的原理分析

__attribute__((section(”name“)))是gcc编译器支持的一个编译特性（arm编译器也支持此特性），实现在编译时把某个函数/数据放到name的数据段中。因此实现原理就很简单了：

.       模块通过__attribute__((section("name")))的实现，在编译时把初始化的接口放到name数据段中

.       main在执行初始化时并不需要知道有什么模块需要初始化，只需要把name数据段中的所有初始化接口执行一遍即可

首先： gcc -c  test.c -o test.o

此时编译过程中处理了__atribute__((section(XXX)))，把标记的变量/函数放到了test.o的XXX的数据段，可用 readelf命令查询。

最后：ld -T <ldscript> test.o -otest.bin

链接时，test.o的XXX数据段（输入段），最终保存在test.bin的XXX数据段（输出段），如此在bin中构建了初始化函数表。

由于自定义了一个数据段，而默认链接脚本缺少自定义的数据段的声明，因此并不能使用默认的链接脚本。

ld链接命令有两个关键的选项：

ld -T <script>：指定链接时的链接脚本

ld --verbose：打印出默认的链接脚本

在我们下文的演练中，我们首先通过”ld --verbose”获取默认链接脚本，然后修改链接脚本，添加自定义的段，最后在链接应用时通过“-T<script>” 指定我们修改后的链接脚本。

下文，我们首先分析内核module_init的实现，最后进行应用程序的演练练习。

分析内核module_init实现

内核驱动的初始化函数表在哪里？为什么添加一个内核驱动不需要修改初始化函数表？为什么所有驱动都需要module_init？
.      module_init的定义

module_init定义在<include/linux/init.h>。代码如下：

代码中使用的“_section_”，是一层层的宏，为了简化，把其等效理解为“section”。

分析上述代码，我们发现module_init由__attribute__((section(“name”)))实现，把初始化函数地址保存到名为".initcall6.init" 的数据段中。
.      链接内核使用自定义的链接脚本

我们看到内核目录最上层的Makefile，存在如下代码：

# Rule to link vmlinux - also used during CONFIG_KALLSYMS

# May be overridden by arch/$(ARCH)/Makefile

quiet_cmd_vmlinux__ ?= LD      $@  

cmd_vmlinux__ ?= $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_vmlinux) -o $@ \

      -T $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init)                          \

      --start-group $(vmlinux-main) --end-group                  \

      $(filter-out $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o FORCE ,$^)

本文的关注点在于：-T $(vmlinux-lds)，通过“ld -T <script>”使用了定制的链接脚本。定制的链接脚本在哪里呢？在Makefile存在如下代码：

vmlinux-lds  := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

我们以”ARCH=arm“ 为例，查看链接脚本：arch/arm/kernel/vmlinux.lds：

在上述代码中，我们聚焦于两个地方：

__initcall6_start = .; ： 由__initcall6_start指向当前地址

 *(.initcall6.init) ： 所有.o文件的.initcall6.init数据段放到当前位置

如此，“__initcall6_start”指向“.initcall6.init”数据段的开始地址，在应用代码中就可通过“__initcall6_start”访问数据段“.initcall6.init”。

是不是如此呢？我们再聚焦到文件<init/main.c>中。

“.initcall.init”数据段的使用

在<init/main.c>中，有如下代码：

static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {

      __initcall0_start,

      __initcall1_start,

      __initcall2_start,

      __initcall3_start,

      __initcall4_start,

      __initcall5_start,

      __initcall6_start,

      __initcall7_start,

      __initcall_end,

};

......

int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)

{

        ......

    if (initcall_debug)

        ret = do_one_initcall_debug(fn);

    else

        ret = fn();

        ......

}

......

static void __init do_initcall_level(int level)

{

    ......

    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+]; fn++)

        do_one_initcall(*fn);

}

按0-7的初始化级别，依次调用各个级别的初始化函数表，而驱动module_init的初始化级别为6。在“for (fn = initcall_levels[level]; fn <initcall_levels[level+]; fn++)”的for循环调用中，实现了遍历当前初始化级别的所有初始化函数。

module_init的实现总结

通过上述的代码追踪，我们发现module_init的实现有以下关键步骤：

    通过module_init的宏，在编译时，把初始化函数放到了数据段：.initcall6.init

    在链接成内核的时候，链接脚本规定好了.initcall6.init的数据段以及指向数据段地址的变量：_initcall6_start

    在init/main.c中的for循环，通过_initcall6_start的指针，调用了所有注册的驱动模块的初始化接口

    最后通过Kconfig/Makefile选择编译的驱动，实现只要编译了驱动代码，则自动把驱动的初始化函数构建到统一的驱动初始化函数表

演练练习

分析了内核使用__attribute__((section(“name”)))构建的驱动初始化函数表，我们接下来练习如何在应用中构建自己的初始化函数表。

下文的练习参考了：https://my.oschina.net/u/180497/blog/177206
.      应用代码

我们的练习代码（section.c）如下：

#include <unistd.h>

#include <stdint.h>

#include <stdio.h>

typedef void (*init_call)(void);

/*

 * These two variables are defined in link script.

 */

extern init_call _init_start;

extern init_call _init_end;

#define _init __attribute__((unused, section(".myinit")))

#define DECLARE_INIT(func) init_call _fn_##func _init = func

static void A_init(void)

{

    write(, "A_init\n", sizeof("A_init\n"));

}

DECLARE_INIT(A_init);

static void B_init(void)

{

    printf("B_init\n");

}

DECLARE_INIT(B_init);

static void C_init(void)

{

    printf("C_init\n");

}

DECLARE_INIT(C_init);

/*

 * DECLARE_INIT like below:

 *  static init_call _fn_A_init __attribute__((unused, section(".myinit"))) = A_init;

 *  static init_call _fn_C_init __attribute__((unused, section(".myinit"))) = C_init;

 *  static init_call _fn_B_init __attribute__((unused, section(".myinit"))) = B_init;

 */

void do_initcalls(void)

{

    init_call *init_ptr = &_init_start;

    for (; init_ptr < &_init_end; init_ptr++) {

        printf("init address: %p\n", init_ptr);

        (*init_ptr)();

    }

}

int main(void)

{

    do_initcalls();

    return ;

}

在代码中，我们做了3件事：

    使用__attribute__((section()))定义了宏：DECLARE_INIT，此宏把函数放置到初始化函数表

    使用DELCARE_INIT的宏，声明了3个模块初始化函数：A_init/B_init/C_init

    在main中通过调用do_initcalls函数，依次调用编译时构建的初始化函数。其中，“_init_start”和“_init_end”的变量在链接脚本中定义。

.      链接脚本

通过命令”ld --verbose”获取默认链接脚本：

GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.24

  支持的仿真：

   elf_x86_64

   ......

使用内部链接脚本：

==================================================

XXXXXXXX （缺省链接脚本）

==================================================

我们截取分割线”=====“之间的链接脚本保存为：ldscript.lds

在.bss的数据段前添加了自定义的数据段：

_init_start = .;

.myinit : { *(.myinit) }

_init_end = .;

”_init_start“和”_init_end“是我们用于识别数据段开始和结束的在链接脚本中定义的变量，而.myinit则是数据段的名称，其中：

.myinit : { *(.myinit) }：表示.o中的.myinit数据段（输入段）保存到bin中的.myinit数据段（输出段）中

前期准备充足，下面进行编译、链接、执行的演示

3.      编译

执行：gcc -c section.c -o section.o 编译应用源码。

执行：readelf -S section.o 查看段信息，截图如下：

可以看到，段[6]是我们自定义的数据段

4.      链接

执行：gcc -T ldscript.lds section.o -o section 链接成可执行的bin文件

执行：readelf -S section 查看bin文件的段分布情况，部分截图如下：

在我链接成的可执行bin中，在[25]段中存在我们自定义的段

5.      执行

执行结果：

本文后面跟着的一篇文章是关于这篇文章对应的高清思维导图。