printk打印消息机制
2.1.4 printk打印消息机制
在内核中，函数printk将消息打印到环形缓冲区__log_buf中，并将消息传给控制台进行显示。控制台驱动程序根据控制台的日志级别显示日志消息。
应用程序通过系统调用sys_syslog管理环形缓冲区__log_buf，它可以读取数据、清除缓冲区、设置日志级别、开/关控制台等。
当系统调用sys_syslog从环形缓冲区__log_buf读取数据时，如果缓冲区没有数据，系统调用sys_syslog所在进程将被加入到等待队列log_wait中进行等待。当printk将数据打印到缓冲区后，将唤醒系统调用sys_syslog所在进程从缓冲区中读取数据。等待队列log_wait定义如下：
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(log_wait);//等待队列log_wait |
环形缓冲区__log_buf在使用之前就是已定义好的全局变量，缓冲区的长度为1 << CONFIG_LOG_ BUF_SHIFT。变量CONFIG_LOG_BUF_SHIFT在内核编译时由配置文件定义，对于i386平台，其值定义如下（在linux26/arch/i386/defconfig中）：
CONFIG_LOG_BUF_SHIFT=18 |
在内核编译时，编译器根据配置文件的设置，产生如下的宏定义：
#define CONFIG_LOG_BUF_SHIFT 18 |
环形缓冲区__log_buf定义如下（在linux26/kernel/printk.c中）：
#define __LOG_BUF_LEN(1 << CONFIG_LOG_BUF_SHIFT) //定义环形缓冲区的长度，i386平台为 static char __log_buf[__LOG_BUF_LEN]; //printk的环形缓冲区 static char *log_buf = __log_buf; static int log_buf_len = __LOG_BUF_LEN; /*互斥锁logbuf_lock保护log_buf、log_start、log_end、con_start和logged_chars */ static DEFINE_SPINLOCK(logbuf_lock); |
通过宏定义LOG_BUF，缓冲区__log_buf具备了环形缓冲区的操作行为。宏定义LOG_BUF得到缓冲区指定位置序号的字符，位置序号超过缓冲区长度时，通过与长度掩码LOG_BUF_MASK进行逻辑与操作，位置序号循环回到环形缓冲区中的位置。
宏定义LOG_BUF及位置序号掩码LOG_BUF_MASK的定义列出如下：
#define LOG_BUF_MASK (log_buf_len-1) #define LOG_BUF(idx) (log_buf[(idx) & LOG_BUF_MASK]) |
为了指明环形缓冲区__log_buf字符读取位置，定义了下面的位置变量：
static unsigned long log_start;/*系统调用syslog读取的下一个字符*/ static unsigned long con_start;/*送到控制台的下一个字符*/ static unsigned long log_end;/*最近已写字符序号加1 */ static unsigned long logged_chars; /*自从上一次read+clear 操作以来产生的字符数*/ |
任何地方的内核调用都可以调用函数printk打印调试、安全、提示和错误消息。函数printk尝试得到控制台信号量（console_sem），如果得到，就将信息输出到环形缓冲区__log_buf中，然后函数release_console_sem()在释放信号量之前把环形缓冲区中的消息送到控制台，调用控制台驱动程序显示打印的信息。如果没得到信号量，就只将信息输出到环形缓冲区后返回。函数printk的调用层次如图2-2所示。
错误！
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| 图2-2 函数printk的调用层次图 |
函数printk列出如下（在linux26/kernel/printk.c中）：
asmlinkage int printk(const char *fmt, ...)
{
va_list args;
int r;
va_start(args, fmt);
r = vprintk(fmt, args);
va_end(args);
return r;
}
asmlinkage int vprintk(const char *fmt, va_list args)
{
unsigned long flags;
int printed_len;
char *p;
static char printk_buf[1024];
static int log_level_unknown = 1;
preempt_disable(); //关闭内核抢占
if (unlikely(oops_in_progress) && printk_cpu == smp_processor_id())
/*如果在printk运行时，这个CPU发生崩溃，
确信不能死锁，10秒1次初始化锁logbuf_lock和console_sem，留时间
给控制台打印完全的oops信息*/
zap_locks();
local_irq_save(flags); //存储本地中断标识
lockdep_off();
spin_lock(&logbuf_lock);
printk_cpu = smp_processor_id();
/*将输出信息发送到临时缓冲区printk_buf */
printed_len = vscnprintf(printk_buf, sizeof(printk_buf), fmt, args);
/*拷贝printk_buf数据到循环缓冲区，如果调用者没提供合适的日志级别，插入默认值*/
for (p = printk_buf; *p; p++) {
if (log_level_unknown) {
/* log_level_unknown signals the start of a new line */
if (printk_time) {
int loglev_char;
char tbuf[50], *tp;
unsigned tlen;
unsigned long long t;
unsigned long nanosec_rem;
/*在时间输出之前强制输出日志级别*/
if (p[0] == '<' && p[1] >='0' &&
p[1] <= '7' && p[2] == '>') {
loglev_char = p[1]; //获取日志级别字符
p += 3;
printed_len -= 3;
} else {
loglev_char = default_message_loglevel
+ '0';
}
t = printk_clock();//返回当前时钟，以ns为单位
nanosec_rem = do_div(t, 1000000000);
tlen = sprintf(tbuf,
"<%c>[%5lu.%06lu] ",
loglev_char,
(unsigned long)t,
nanosec_rem/1000);//写入格式化后的日志级别和时间
for (tp = tbuf; tp < tbuf + tlen; tp++)
emit_log_char(*tp); //将日志级别和时间字符输出到循环缓冲区
printed_len += tlen;
} else {
if (p[0] != '<' || p[1] < '0' ||
p[1] > '7' || p[2] != '>') {
emit_log_char('<');
emit_log_char(default_message_loglevel
+ '0'); //输出字符到循环缓冲区
emit_log_char('>');
printed_len += 3;
}
}
log_level_unknown = 0;
if (!*p)
break;
}
emit_log_char(*p);//将其他printk_buf数据输出到循环缓冲区
if (*p == '/n')
log_level_unknown = 1;
}
if (!down_trylock(&console_sem)) {
/*拥有控制台驱动程序，降低spinlock并让release_console_sem()打印字符 */
console_locked = 1;
printk_cpu = UINT_MAX;
spin_unlock(&logbuf_lock);
/*如果CPU准备好，控制台就输出字符。函数cpu_online检测CPU是否在线，
函数have_callable_console()检测是否
有注册的控制台启动时就可以使用*/
if (cpu_online(smp_processor_id()) || have_callable_console()) {
console_may_schedule = 0;
release_console_sem();
} else {
/*释放锁避免刷新缓冲区*/
console_locked = 0;
up(&console_sem);
}
lockdep_on();
local_irq_restore(flags); //恢复本地中断标识
} else {
/*如果其他进程拥有这个驱动程序，本线程降低spinlock，
允许信号量持有者运行并调用控制台驱动程序输出字符*/
printk_cpu = UINT_MAX;
spin_unlock(&logbuf_lock);
lockdep_on();
local_irq_restore(flags); //恢复本地中断标识
}
preempt_enable(); //开启抢占机制
return printed_len;
}
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函数release_console_sem()给控制台系统开锁，释放控制台系统及驱动程序调用者持有的信号量。持有信号量时，表示printk已在缓冲区存有数据。函数release_console_sem()在释放信号量之前将这些数据送给控制台显示。如果后台进程klogd在等待环形缓冲区装上数据，它唤醒klogd进程。
函数release_console_sem列出如下（在linux26/kernel/printk.c中）：
void release_console_sem(void)
{
unsigned long flags;
unsigned long _con_start, _log_end;
unsigned long wake_klogd = 0;
for ( ; ; ) {
spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
wake_klogd |= log_start - log_end;
if (con_start == log_end)
break;/* 没有需要打印的数据*/
_con_start = con_start;
_log_end = log_end;
con_start = log_end;/* Flush */
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
//调用控制台driver的write函数写入到控制台
call_console_drivers(_con_start, _log_end);
}
console_locked = 0;
console_may_schedule = 0;
up(&console_sem);
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
if (wake_klogd && !oops_in_progress && waitqueue_active(&log_wait))
wake_up_interruptible(&log_wait);//唤醒在等待队列上的进程
}
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函数_call_console_drivers将缓冲区中从start到end - 1的数据输出到控制台进行显示。在输出数据到控制台之前，它检查消息的日志级别。只有日志级别小于控制台日志级别console_loglevel的消息，才能交给控制台驱动程序进行显示。
函数_call_console_drivers列出如下：
static void _call_console_drivers(unsigned long start,
unsigned long end, int msg_log_level)
{
//日志级别小于控制台日志级别的消息才能输出到控制台
if ((msg_log_level < console_loglevel || ignore_loglevel) &&
console_drivers && start != end) {
if ((start & LOG_BUF_MASK) > (end & LOG_BUF_MASK)) {
/* 调用控制台驱动程序的写操作函数 */
__call_console_drivers(start & LOG_BUF_MASK, log_buf_len);
__call_console_drivers(0, end & LOG_BUF_MASK);
} else {
__call_console_drivers(start, end);
}
}
}
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函数__call_console_drivers调用控制台驱动程序的写操作函数显示消息。其列出如下：
static void __call_console_drivers(unsigned long start, unsigned long end)
{
struct console *con;
for (con = console_drivers; con; con = con->next) {
if ((con->flags & CON_ENABLED) && con->write &&
(cpu_online(smp_processor_id()) ||
(con->flags & CON_ANYTIME)))
con->write(con, &LOG_BUF(start), end - start); //调用驱动程序的写操作函数
}
}