初始化同步与互斥环境

5.1 初始化同步与互斥环境

要了解本节的内容，需要补充一下“疯狂内核之同步与互斥”的预备知识。

 

5.1.1 屏蔽中断

 

void lockdep_init(void) {        int i;          /*         * Some architectures have their own start_kernel()         * code which calls lockdep_init(), while we also         * call lockdep_init() from the start_kernel() itself,         * and we want to initialize the hashes only once:         */        if (lockdep_initialized)               return;          for (i = 0; i < CLASSHASH_SIZE; i++)               INIT_LIST_HEAD(classhash_table + i);          for (i = 0; i < CHAINHASH_SIZE; i++)               INIT_LIST_HEAD(chainhash_table + i);          lockdep_initialized = 1; }

 

该函数用于启动Lock dependency validator，本质上是建立两个散列表classhash_table和chainhash_table，并初始化全局变量lockdep_initialized。对Linux内核的链表和散列表不熟悉的同志可以看看博客“Linux内核入门（三）—— C语言基本功”的相关内容。

 

好了，继续跟进，540行，debug_objects_early_init()函数，用于内核的对象调试。由于我们.config文件中没有配置CONFIG_DEBUG_OBJECTS，所以这个函数为空函数。545行，调用boot_init_stack_canary()函数，同样在也.config文件中没有配置CONFIG_CC_STACKPROTECTOR，所以这个函数也为空。547行，CONFIG_CGROUPS也没有配置，所以cgroup_init_early()函数也为空。

 

549行，local_irq_disable()，终于不为空了，在include/linux/irqflags.h的61行定义：

 

#define local_irq_disable() /        do { raw_local_irq_disable(); trace_hardirqs_off(); } while (0)

 

注意，这个定义必须是CONFIG_TRACE_IRQFLAGS_SUPPORT编译选项存在于.config文件，该宏才有效。我查了查.config，是存在的，所以又定位到raw_local_irq_disable和trace_hardirqs_off两个宏。先看第一个，raw_local_irq_disable，全内核四个地方有定义，取决于一个重要的CONFIG_PARAVIRT编译选项是否被配置。我们看到.config中根本不存在这个编译选项，所以根本不用考虑arch/x86/include/asm/paravirt.h里面的内容。而剩下的定义来自哪儿，取决于宏__ASSEMBLY__。

 

是该讲讲__ASSEMBLY__宏了，这个宏的作用是避免gcc在进行汇编编译的时候，不定义后续相关内容。什么意思？我们看到顶层Makefile的354行有一个：

354 KBUILD_AFLAGS   := -D__ASSEMBLY__

 

这个宏变量实际上是在编译汇编代码的时候，由编译器使用-D这样的参数加进去的，KBUILD_AFLAGS这个变量也定义了这个变量，gcc会把这个宏定义为1。我们知道，gcc编译一个c程序大致分为三步：编译c文件生成临时汇编程序；编译汇编程序生成.o对象文件；链接对象文件生成c程序。而KBUILD_AFLAGS指定__ASSEMBLY__，是为了编译汇编程序时，不会用到类似于“# define”定义的属性（注意！不是宏定义#define，#后面有一个空格，Linux内核中定义了很多这样的定义，在编译c文件时，就相当于#define），因为这样的属性是在进行C语言编译的时候加的，通过__ASSEMBLY__来避免在C语言编译成汇编程序后，不在编译这些汇编代码时候的引用，从而避免不必要的宏或函数在编译汇编代码时候的引用。

 

虽然我们顶层Makefile设置了__ASSEMBLY__，但是，我们现在分析的是c语言下的代码，__ASSEMBLY__暂没定义，所以来到arch/x86/include/asm/irqflags.h中74行：

 

static inline void raw_local_irq_disable(void) {        native_irq_disable(); }

 

native_irq_disable来自哪儿？同一文件的37行：

 

static inline void native_irq_disable(void) {        asm volatile("cli": : :"memory"); }

 

调用cli指令取消eflags的IF标志位，屏蔽可屏蔽中断。有关可屏蔽中断、非屏蔽中断和异常的基本概念请参考博文“中断的分类”。后面由于我们没有设置CONFIG_TRACE_IRQFLAGS和CONFIG_IRQSOFF_TRACER编译选项，所以trace_hardirqs_off()函数为空，回到start_kernel中。

 

上面说了，没有配置CONFIG_TRACE_IRQFLAGS，所以550行的early_boot_irqs_off()函数也为空。而CONFIG_GENERIC_HARDIRQS是配置了的，所以551行early_init_irq_lock_class函数就要被调用了，来自kernel/irq/handle.c的543行：

 

void early_init_irq_lock_class(void) {        struct irq_desc *desc;        int i;          for_each_irq_desc(i, desc) {               lockdep_set_class(&desc->lock, &irq_desc_lock_class);        } }

 

for_each_irq_desc是一个宏，我们设置了CONFIG_GENERIC_HARDIRQS，所以来自include/linux/irqnr.h的29行：

 

# define for_each_irq_desc(irq, desc)                               /        for (irq = 0, desc = irq_to_desc(irq); irq < nr_irqs;            /             irq++, desc = irq_to_desc(irq))                        /               if (!desc)                                    /                      ;                                         /               else

 

我们没有配置CONFIG_SPARSE_IRQ，所以来到kernel/irq/handle.c的275行：

 

struct irq_desc *irq_to_desc(unsigned int irq) {        return (irq < NR_IRQS) ? irq_desc + irq : NULL; }

 

好了，至此，最著名的NR_IRQS变量就出现了。要说清楚这个问题，就要大致学学APIC的知识了。APIC称为高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controller，APIC），是通过扩充组合的方式来为多处理器系统驱动中断控制器。在目前的x86体系中，系统的每一个部份都是经由APIC总线连接的。“本地 APIC”为系统的一部份，负责传递 Interrupt至指定的处理器。

 

举例来说，当一台机器上有一个四核处理器，则它必须相对的要有四个本地APIC。自 1994 年的Pentium P54c开始Intel已经将本地APIC内嵌在它们的处理器中。我们当前的 Intel 处理器的电脑就已经包含了 APIC 系统的部份。

 

系统中另一个重要的部份为 I/O APIC。系统中最多可拥有 8 个 I/O APIC。它们会收集来自 I/O 装置的 Interrupt 讯号且在当那些装置需要 interrupt 时传送讯息至本地 APIC。每个 I/O APIC 有一个专有的 interrupt 输入号码，就是我们所谓的IRQ号。Intel 过去与目前的 I/O APIC 通常有NR_IRQS个输入，具体多少个我们稍后分析。而且，有些机器拥有数个 I/O APIC，每一个分别有自己的输入号码，加起来一台机器上会有上百个 IRQ 可供装置 Interrupt 使用。

 

然而，系统中若没有 I/O APIC，那本机 APIC 就没有用处。像这样的状况下，编译配置中的CONFIG_X86_IO_APIC编译选项就不会设置，还会还原使用 8259 PIC，仅仅拥有16个IRQ，其中一个还用来级联。

 

好了，有关APIC的知识我们就暂时介绍到这里，想深入了解的请查看博客“中断处理”。由于我们配置了IO APIC但没有配置CONFIG_SPARSE_IRQ编译选项，所以NR_IRQS就定义在arch/x86/include/asm/irq_vectors.h的166行：

 

#  define NR_IRQS                                  /        (CPU_VECTOR_LIMIT < IO_APIC_VECTOR_LIMIT ?   /               (NR_VECTORS + CPU_VECTOR_LIMIT)  :   /               (NR_VECTORS + IO_APIC_VECTOR_LIMIT))

 

NR_VECTORS的值是256，CPU_VECTOR_LIMIT 的值等于CONFIG_NR_CPUS，我们配置文件中的值是255，IO_APIC_VECTOR_LIMIT被定义为( 32 * MAX_IO_APICS )，表示Linux支持的追到IO APIC的数量。MAX_IO_APICS在32位x86体系中被定义为64。因此CPU_VECTOR_LIMIT超过了最大限额，NR_IRQS的值就是256+64=320。

 

所以，for_each_irq_desc宏的意思就是遍历每个IO APICS的IRQ，并调用lockdep_set_class宏。由于我们没有CONFIG_LOCKDEP，所以这个宏是个空宏，没有任何内容。是不是觉得前面说了这么多，但没有实际的代码，有点灰心？没关系，毕竟我们学到新东西了。如果配置了CONFIG_LOCKDEP，那么lockdep_set_class宏定义如下：

#define lockdep_set_class(lock, key) /

              lockdep_init_map(&(lock)->dep_map, #key, key, 0)

 

那么上面遍历了IO APICS每个中断的中段描述符，并设置中段描述符的锁。