FreeBSD 内核中的SYSINIT分析
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. 这种文件格式允许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, 这种编译器允许在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.
现在如果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子系统做准备工
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!");
}
SRC=http://www.moon-soft.com/program/bbs/readelite432617.htm