Linux内核启动流程与模块机制

本文旨在简单的介绍一下Linux的启动流程与模块机制：

Linux启动的C入口位于/Linux.2.6.22.6/init/main.c::start_kernel()

下图简要的描述了一下内核初始化的流程：

本文我们分析一下do_initcalls ()函数，他负责大部分模块的初始化（比如U盘驱动就是在这里被初始化的）。

 static void __init do_initcalls(void)
 {
     initcall_t *call;
     int count = preempt_count();

     for (call = __initcall_start; call < __initcall_end; call++) {
         ktime_t t0, t1, delta;
         char *msg = NULL;
         char msgbuf[];
         int result;
         ....
         }
 }

它会循环执行一段区域里面的内容，那么这段区域里面是什么呢？

先把相关的定义贴出来：

         __initcall_start = .;
             INITCALLS
         __initcall_end = .;

 #define INITCALLS                            \
       *(.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 __define_initcall(level,fn,id) \
     static initcall_t __initcall_##fn##id __attribute_used__ \
     __attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

这里涉及的是链接器的知识，链接器在链接时会把文件分段，而do_initcalls ()里面的for循环就是循环的某段区域（这里指initcall段），我们把每个模块的入口函数放到这个区域里，这样模块在内核初始化的过程中就会跑到。这里还涉及另一个重要的知识点就是：GCC支持用户通过__attribute__来自定义段（比如通过__init修饰的函数只在初始化过程中执行一次，因为这段区域在初始化之后就被释放掉了）。链接器的相关知识是理解这里的重点，大家可以找点这方面的资料看看。

下面我们以U盘驱动程序为例，看看他是如何被加载的：

/Linux2.6.22.6/drivers/usb/storage/usb.c::

 module_init(usb_stor_init);
 module_exit(usb_stor_exit);

module_init()是一个宏，这里表示指定usb_stor_init()为U盘驱动程序的入口点。

#define module_init(x)    __initcall(x);

#define __initcall(fn)    device_initcall(fn)

#define device_initcall(fn)        __define_initcall("6",fn,6)

到这里，大概可以知道，程序在链接时，usb_stor_init()会被放到*(.initcall6.init)可以访问到的地方，这样在do_initcalls ()的for循环里面，usb_stor_init()就会被执行。

到此，也可以大概清楚Linux的模块机制是什么样子的了。

 #define pure_initcall(fn)                __define_initcall("0",fn,1)

 #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)

上面的定义表示模块也是分优先级的，这也很好理解，还以U盘为例，内核必须先完成USB控制器以及USB总线驱动的初始化，然后U盘的驱动才能初始化成功，所以USB_Core的模块入口定义是下面这样的：

/Linux2.6.22.6/drivers/usb/core/usb.c::

subsys_initcall(usb_init);
module_exit(usb_exit);