Linux内核源代码分析-第二章 代码初识-2

2.2 代码样例
了解Linux代码风格最好的方法就是实际研究一下它的部分代码。即使你不完全理解本节
所讨论代码的细节也无关紧要，毕竟本节的主要目的不是理解代码，一些读者可以只对本
节进行浏览。本节的主要目的是让读者对Linux代码进行初步了解，为今后的工作提供必
要基础。该讨论将涉及部分广泛使用的内核代码。
2.2.1 printk
printk（25836行）是内核内部消息日志记录函数。在出现诸如内核检测到其数据结构出
现不一致的事件时，内核会使用printk把相关信息打印到系统控制台上。对于printk的调
用一般分为如下几类：
* 紧急事件（emergency）—例如，panic函数（25563行）多次使用了printk。当内核检
测到发生不可恢复的内部错误时就会调用panic函数，然后尽其所能地安全关闭计算机。
这个函数中调用printk以提示用户系统将要关闭。
* 调试—从3816行开始的#ifdef块使用printk来打印SMP逻辑单元（box）中每一个处理器
的相关配置信息，但是此过程只有在使用SMP_DEBUG标志编译代码的情况下才能够被执行
。
* 普通信息—例如，当机器启动时，内核必须估计系统速度以确保设备驱动程序能够忙等
待（busy-wait）一个精确的极短周期。计算这种估计值的函数名为calibrate_delay（
19654行），它既在19661行使用printk声明马上开始计算，又在19693行报告计算结果。
另外，在第4章将详细的介绍calibrate_delay函数。
如果你已经浏览过这些参照行，你可能已经注意到printk和printf的参数十分类似：一个
格式化字符串，后跟零个或者多个参数加入字符串中。格式化字符串可能是以一组“
”开始，这里的N是从0到7的数字，包括0和7在内。数字区分了消息的日志等级（log
level），只有当日志等级高于当前控制台定义的日志等级（console_loglevel，25650行
）时，才会打印消息。root可以通过适当减小控制台的日志等级来过滤不是很紧急的消息
。如果内核在格式化字符串中检测不到日志等级序列，那么就会一直打印消息（实际上，
日志等级序列并不一定要在格式化字符串中出现，可以在格式化文本中查找到它的代码）
。
从14946行开始的#define块说明了这些特殊序列，这些定义可以帮助调用者正确区分对
printk的调用。简单地说，我称日志等级0到4为“紧急事件”，等级5到等级6为“普通信
息”，等级7自然就是我所说的“调试”（这种分类方法并不意味着其他更好的分类方法
没有用处，而只是目前我们还不关心它而已）。
在上面讨论的基础上，我们研究一下代码本身。
printk
25836：参数fmt是printf类型的格式化字符串。如果你对“...”部分的内容不熟悉，那
就 需要参阅一本好的C语言参考书（在其索引中查找“变参函数，
variadic function”）。另外，在安装的GNU/Linux中的stdarg帮助里也包含了一个有关
变参函数的简明描述，在这儿只需要敲入“man stdarg”就可以看到。
简单地说，“...”部分提示编译器fmt后面可能紧跟着数量不定的任何类型的参数。由于
这些参数在编译的时候还没有类型和名字，内核使用由三个宏va_start、va_arg和va_end
组成的特殊组及一个特殊类型—va_list对它们进行处理。
25842：msg_level记录了当前消息的日志等级。它是静态的，这看起来可能会有些奇怪—
为什么下一次对printk的调用需要记录日志等级呢？问题的答案是只有打印出新行（\n）
或者赋给一个新的日志等级序列以后，当前消息才会结束。这样，通过在包含消息结束的
新行里调用printk，就保证了在多个短期冲突的情况下，调用者只打印唯一一个长消息。

25845：在SMP逻辑单元中，内核可能试图从不同的CPU向控制台同时打印信息（有时在单
处理机（UP）逻辑单元中也会发生同样问题，但由于中断还未被覆盖掉，所以问题也并不
十分明显）。如果不进行任何协同的话，结果就将处于完全无法让人了解的杂乱无章的状
态，每个消息的各个部分都和其他消息的各个部分混杂交织在一起。
相反，内核使用旋转锁（spin-lock）来控制对控制台的访问。旋转锁将在第10章进行深
入介绍。
如果你对flags 在传送给spin_lock_irqsave之前为什么不对它初始化感到疑惑，请不要
担心：spin_lock_irqsave（对于不同的版本请分别参看12614行，12637行，12716行和
12837行）是一个宏，而不是一个函数。该宏实际上是将值写入flags中，而不是从flags
中读出值（在25895行中，存储在flags中的信息被spin_unlock_irqrestore回读，请参看
12616行，12639行，12728行和12841行）。
25846：初始化变量args，该变量代表printk参数中的“...”部分。
25848：调用内核自身的vsprintf（为节省空间而省略）实现。该函数的功能与标准
vsprintf函数非常相似，向buf中写入格式化文本（25634行）并返回写入字符串的长度（
长度不包括最后一位终止字符0字节）。很快，你将可以看到为什么这种机制会忽略buf的
前三个字符。
（正如25847行的注释中所述）我们应该注意到在这里并没有采取严格的措施来保证缓冲
器不会过载。这里系统假定1024个字符长度的buf已经足够使用（参阅25634行）。如果内
核在这里能够使用vsnprintf函数的话，情况就会好许多。然而，vsnprintf还有另外一个
参数限制了它能够写入缓冲器的字符长度。
25849：计算buf中最近使用的元素，调用va_end终止对“...”参数的处理。
25851：开始格式化消息的循环。其中存在一个内部循环能够处理更多内容（这一点随后
就能看到），因此，每次内循环开始，都开始一个新的打印行。由于通常情况下printk只
用于打印单行，所以在每次调用中，这种循环通常只执行一次。
25853：如果预先不知道消息的日志等级，printk会检查当前行是否以日志等级序列开头
。
25860：如果不是，buf中开始未使用的三个字符就能够起作用了（第一次以后的每次循环
，都会覆盖部分消息文本，但是这样并不会引起问题，因为这里的文本只是前面行中的一
部分，它们已经被打印过，而且以后也不再需要了）。这样，就可以将日志等级插入buf
中。
25866：此处有如下属性：p指向日志等级序列（消息文本紧随其后），msg指向消息文本
—请注意25852行和25865行中对msg的赋值。
由于已知p用来指示日志等级序列的开头—该日志等级序列可能是由函数自身所创建的，
日志等级可以从p中抽出并存到msg_level中。
25868：没有检测到新行，清空line_feed标志。
25869：这是前面谈到过的内循环，循环将运行到本行结束（也就是检测到新行标志）或
者缓冲器的末尾为止。
25870：除了将消息打印到控制台之外，printk还能够记录最近打印的长度为LOG_
BUF_LEN的字符组（LOG_BUF_LEN为16K，请参看25632行）。如果在控制台打开之前，内核
就已经调用printk，则显然不能在控制台上正确打印消息，但是这些消息将被尽可能地存
储到log_buf中（25656行）。当控制台打开以后，缓存在log_buf中的数据就可以转储并
在控制台上打印出来，请参看25988行。
log_buf是一个循环缓冲器，log_start和log_size变量（25657行和25646行）分别记录当
前缓冲器的开始位置和长度。本行中的按位与（AND）操作实际上是快速求模（％）运算
，它的正确性依赖于LOG_BUF_LEN的值是2的幂。
25872：保存变量跟踪记录循环日志的值。显然，日志大小会不断增长，直至达到
LOG_BUF_LEN的值为止。此后，log_size将保持不变，而插入新字符将导致log_start的增
长。
25878：请注意logged_chars（25658行）记录从机器启动之后由printk写入的所有字符的
长度，它在每次循环中都会被更新，而不是在循环结束后才改变一次。基于同样的道理，
log_start和log_size的处理方式也是一样。这实际上是一种优化的时机，本书将在结束
对函数的介绍之后再对它进行详细讨论。
25879：消息被分为若干行，这当然要使用新行标志符来进行分割。一旦内核检测到新行
标志符，就写入一个完整行，从而内循环的执行也可以提前终止。
25884：在这里我们先不考虑内部循环是否会提前退出，从msg到p的字符序列是专门提供
给控制台使用的（这种字符序列我称之为行，但是不要忘了，这里的行可能并不意味着新
行终止，因为buf也许还没有终止）。如果该行的日志等级高于系统控制台定义的日志等
级，而且当前又有控制台可供打印，那么就能够正确打印该行。（记住，printk可能在所
有控制台打开之前就已经被调用过了。）
如果在该消息块中没有发现日志等级序列，并且在前面的printk调用中也没有对
msg_level赋值，那么本行中的msg_level就是-1。由于console_loglevel总不小于1（除
非root通过sysctl接口锁定），于是总是可以打印这些行。
25886：本行应该能够被打印。printk通过遍历打开的控制台驱动链表告知每一个控制台
驱动去打印当前行设备驱动在本书的讨论范围之外，因此，控制台驱动代码则并不包含在
内）。
25888：请注意这里消息文本的开头使用的是msg而不是p，这样就在没有日志等级序列的
情况下写入消息了。然而，日志等级序列已经被存储到log_buf缓冲器中了。这样就使后
来能够访问log_buf以获取消息日志等级的代码（请参看25998行），不会再产生显示混乱
信息序列的现象。
25892：如果内层for循环发现一新行，那么buf中的剩余字符（如果有的话）将被认为是
新的消息，因此msg_level会被重置。但是无论怎样，外层循环都会持续到buf清空为止。

25895：释放在25845行获取的控制台锁（console lock）。
25896：唤醒等待被写入控制台日志的所有进程。注意即使没有文本被实际写入任何控制
台，这个过程也仍然会发生。这样处理是正确的，因为无论是否要往控制台中写入文本，
等待进程实际上都是在等待从log_buf中读出信息。在25748行，进程被转入休眠状态以等
待log_buf的活动。在休眠、唤醒和等待队列中所使用的机制将在下一节中进行讨论。
25897：返回日志中写入的字符长度。
如果对于每个字符的处理工作都能减少一点，那么从25869行开始的for循环就执行得更快
一点。当循环存在时，我们可以通过只在循环退出时将logged_chars更新一次来稍微提高
运行速度。然而我们还可以通过其他努力来提高速度。由于我们可以预知消息的长度，因
此log_size和log_start可以到最后再增长。让我们来实验一下这样能否提高速度，下面
是一段经过理想优化的代码：
请注意循环通常只需要执行一次，只有在log_buf末尾写入信息需要折行时才会多次执行
。因而log_size和log_buf只需要更新一次（或者当写入需要换行时是两次）。
这时速度的确提高了，但是有两个原因使我们并不能这样做。首先，内核可能有自己特有
的memcpy函数，我们必须确保对memcpy的调用不会再次进入对printk的调用（有一部分内
核移植版定义了自己特有的速度较快的memcpy函数版本，因此所有的移植都要在这一点上
保持一致）。如果memecpy调用printk来报告失败，那么就有可能触发无限循环。
然而在这一点上也并不是真的无药可救。使用这种解决方案的最大问题在于该内核循环的
形式中也要留意新行标志符，因此使用memcpy将整个消息拷贝到log_buf中是不正确的：
如果此处存在新行，我们将无法对其进行处理。
我们可以试验一个一箭双雕的办法。下面这种替代的尝试虽然可能比前面那种初步解决方
法速度要慢，但是它保持了内核版本的语意：
（请注意gcc的优化器十分灵敏，它足以能检测到循环内部的表达式log_buf+LOG_BUF_LEN
并没有改变，因此在上面的循环中试图手工加速计算是没有任何效果的。）
不幸的是，这种方法并不能比现在的内核版本在速度上快许多，而且那样会使得代码晦涩
难懂（如果你编写过更新log_size和log_start的代码，你就能清楚地了解这一点）。你
可以自己决定这种折衷是否值得。然而无论怎样，我们学到了一些东西，通常，不管成功
与否，改进内核代码都可以加深你对内核工作原理的理解。