【linux kernel】对linux内核

在linux内核源码中，随处都可以看见类似于__init这样的宏，如下代码片段：

# define __section(S) __attribute__ ((__section__(#S)))

#define __init		__section(.init.text)

从上述代码片段可见，当使用__init宏修饰一个函数后，那么在进行编译构建过程中，会出现一些不一样的现象。

在比如说__setup宏，该宏定义如下代码片段所示【出自linux dir/include/init.h】：

#define __setup_param(str, unique_id, fn, early)			
	static const char __setup_str_##unique_id[] __initconst		
		__aligned(1) = str; 					
	static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id		
		__used __section(.init.setup)				
		__attribute__((aligned((sizeof(long)))))		
		= { __setup_str_##unique_id, fn, early }

#define __setup(str, fn)						
	__setup_param(str, fn, fn, 0)

综上所述
在代码中出现__attribute__和__section__这两个关键字，这两个关键字是实现该机制的基石，在分析了linux内核源码的实现机制后，本文就使用这两个宏来亲自实践该机制，以便加深理解。

实践过程准备：
（1）创建一个公用头文件：common_define.h
（2）创建一个模块文件：module_1.c
（3）创建第二个模块文件：module_2.c
（4）创建一个主应用文件：app_demo.c
（5）创建一个makefile文件

【2-1】各文件中内容如下：

#ifndef COMMON_DEFINE_H
#define COMMON_DEFINE_H

typedef int (*init_call_fn)(void);

#define __init __attribute__((unused,__section__(".my_init")))

#define MY_DECLAER_INIT(func)                       
           static init_call_fn init_##func __init = func


#endif 

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "module_1.h"
#include "common_define.h"


static int module_1_init(void)
{
  printf("module_1_init===============started!!rn");

  return 0;
}

MY_DECLAER_INIT(module_1_init);

#include "stdio.h"
#include "module_2.h"
#include "common_define.h"

static int module_2_init(void)
{
    printf("module_2_init===============started!!rn");

    return 0;
}

MY_DECLAER_INIT(module_2_init);

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "app_demo.h"
#include "common_define.h"

extern init_call_fn my_init_start;
extern init_call_fn my_init_end;

int main(int argc,char *argv[])
{
    init_call_fn *init_call_ptr = &my_init_start;

    printf("start load module...rn");

    for(;init_call_ptr < &my_init_end; init_call_ptr++)
    {
        (*init_call_ptr)();
    }

    printf("load module successfulrn");

    return 0;
}

/makefile/

#################################################################################
# driver 	test makefile file 
#datetime 	2021/10/24
#author 	iriczhao
##################################################################################

CC=cc
CC_FLAG=-Wall
  
PRG=app_demo
OBJ=module_1.o module_2.o app_demo.o
  
$(PRG):$(OBJ)
	gcc  -o $@ $(OBJ)

.PRONY:clean
clean:
	@echo "Removing linked and compiled files......"
	rm -f $(OBJ) $(PRG)

【2-2】编译调试
在项目路径下打开终端，输入make进行编译构建，出现以下报错信息：

在app_demo.c中定义了两个函数指针变量，在链接时没有找到从而出现报错，原因是在开发环境下链接时使用的默认链接脚本。

为了实现类似于linux内核的调用解析机制，这里需要修改链接脚本文件并指定gcc编译器使用该脚本。

【2-3】生成链接脚本文件
使用ld --verbose > ldsModule.lds生成默认的链接脚本文件

打开生成的ldsModule.lds文件，保留=======之间的内容，删除其他内容，然后在.bss节的上方加入自己在common_define.h文件中定义的【.my_init】节段和在app_demo.c文件中定义的函数指针变量的节位置【my_init_start】和【my_init_end】
添加内容和顺序如下：
my_init_start = .;
.my_init :{*(.my_init)}
my_init_end = .;

最后得到文件内容如下：

OUTPUT_FORMAT("elf64-x86-64", "elf64-x86-64",
	      "elf64-x86-64")
OUTPUT_ARCH(i386:x86-64)
ENTRY(_start)
SEARCH_DIR("=/usr/local/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu64"); SEARCH_DIR("=/usr/local/lib64"); SEARCH_DIR("=/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/local/lib"); SEARCH_DIR("=/lib"); SEARCH_DIR("=/usr/lib"); SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib");
SECTIONS
{
  
  PROVIDE (__executable_start = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000)); . = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000) + SIZEOF_HEADERS;
  .interp         : { *(.interp) }
  .note.gnu.build-id : { *(.note.gnu.build-id) }
  .hash           : { *(.hash) }
  .gnu.hash       : { *(.gnu.hash) }
  .dynsym         : { *(.dynsym) }
  .dynstr         : { *(.dynstr) }
  .gnu.version    : { *(.gnu.version) }
  .gnu.version_d  : { *(.gnu.version_d) }
  .gnu.version_r  : { *(.gnu.version_r) }
  .rela.dyn       :
    {
      *(.rela.init)
      *(.rela.text .rela.text.* .rela.gnu.linkonce.t.*)
      *(.rela.fini)
      *(.rela.rodata .rela.rodata.* .rela.gnu.linkonce.r.*)
      *(.rela.data .rela.data.* .rela.gnu.linkonce.d.*)
      *(.rela.tdata .rela.tdata.* .rela.gnu.linkonce.td.*)
      *(.rela.tbss .rela.tbss.* .rela.gnu.linkonce.tb.*)
      *(.rela.ctors)
      *(.rela.dtors)
      *(.rela.got)
      *(.rela.bss .rela.bss.* .rela.gnu.linkonce.b.*)
      *(.rela.ldata .rela.ldata.* .rela.gnu.linkonce.l.*)
      *(.rela.lbss .rela.lbss.* .rela.gnu.linkonce.lb.*)
      *(.rela.lrodata .rela.lrodata.* .rela.gnu.linkonce.lr.*)
      *(.rela.ifunc)
    }
  .rela.plt       :
    {
      *(.rela.plt)
      PROVIDE_HIDDEN (__rela_iplt_start = .);
      *(.rela.iplt)
      PROVIDE_HIDDEN (__rela_iplt_end = .);
    }
  .init           :
  {
    KEEP (*(SORT_NONE(.init)))
  }
  .plt            : { *(.plt) *(.iplt) }
.plt.got        : { *(.plt.got) }
.plt.sec        : { *(.plt.sec) }
  .text           :
  {
    *(.text.unlikely .text.*_unlikely .text.unlikely.*)
    *(.text.exit .text.exit.*)
    *(.text.startup .text.startup.*)
    *(.text.hot .text.hot.*)
    *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
    
    *(.gnu.warning)
  }
  .fini           :
  {
    KEEP (*(SORT_NONE(.fini)))
  }
  PROVIDE (__etext = .);
  PROVIDE (_etext = .);
  PROVIDE (etext = .);
  .rodata: { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*) }
  .rodata1        : { *(.rodata1) }
  .eh_frame_hdr : { *(.eh_frame_hdr) *(.eh_frame_entry .eh_frame_entry.*) }
  .eh_frame       : ONLY_IF_RO { KEEP (*(.eh_frame)) *(.eh_frame.*) }
  .gcc_except_table   : ONLY_IF_RO { *(.gcc_except_table
  .gcc_except_table.*) }
  .gnu_extab   : ONLY_IF_RO { *(.gnu_extab*) }
  
  .exception_ranges   : ONLY_IF_RO { *(.exception_ranges
  .exception_ranges*) }
  
  . = DATA_SEGMENT_ALIGN (ConSTANT (MAXPAGESIZE), ConSTANT (COMMONPAGESIZE));
  
  .eh_frame       : ONLY_IF_RW { KEEP (*(.eh_frame)) *(.eh_frame.*) }
  .gnu_extab      : ONLY_IF_RW { *(.gnu_extab) }
  .gcc_except_table   : ONLY_IF_RW { *(.gcc_except_table .gcc_except_table.*) }
  .exception_ranges   : ONLY_IF_RW { *(.exception_ranges .exception_ranges*) }
  
  .tdata: { *(.tdata .tdata.* .gnu.linkonce.td.*) }
  .tbss		  : { *(.tbss .tbss.* .gnu.linkonce.tb.*) *(.tcommon) }
  .preinit_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
    KEEP (*(.preinit_array))
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
  }
  .init_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
    KEEP (*(SORT_BY_INIT_PRIORITY(.init_array.*) SORT_BY_INIT_PRIORITY(.ctors.*)))
    KEEP (*(.init_array EXCLUDE_FILE (*crtbegin.o *crtbegin?.o *crtend.o *crtend?.o ) .ctors))
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
  }
  .fini_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
    KEEP (*(SORT_BY_INIT_PRIORITY(.fini_array.*) SORT_BY_INIT_PRIORITY(.dtors.*)))
    KEEP (*(.fini_array EXCLUDE_FILE (*crtbegin.o *crtbegin?.o *crtend.o *crtend?.o ) .dtors))
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
  }
  .ctors          :
  {
    
    KEEP (*crtbegin.o(.ctors))
    KEEP (*crtbegin?.o(.ctors))
    
    KEEP (*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o *crtend?.o ) .ctors))
    KEEP (*(SORT(.ctors.*)))
    KEEP (*(.ctors))
  }
  .dtors          :
  {
    KEEP (*crtbegin.o(.dtors))
    KEEP (*crtbegin?.o(.dtors))
    KEEP (*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o *crtend?.o ) .dtors))
    KEEP (*(SORT(.dtors.*)))
    KEEP (*(.dtors))
  }
  .jcr            : { KEEP (*(.jcr)) }
  .data.rel.ro : { *(.data.rel.ro.local* .gnu.linkonce.d.rel.ro.local.*) *(.data.rel.ro .data.rel.ro.* .gnu.linkonce.d.rel.ro.*) }
  .dynamic        : { *(.dynamic) }
  .got            : { *(.got) *(.igot) }
  . = DATA_SEGMENT_RELRO_END (SIZEOF (.got.plt) >= 24 ? 24 : 0, .);
  .got.plt        : { *(.got.plt)  *(.igot.plt) }
  .data:
  {
    *(.data .data.* .gnu.linkonce.d.*)
    SORT(CONSTRUCTORS)
  }
  .data1          : { *(.data1) }
  _edata = .; PROVIDE (edata = .);
  . = .;
  __bss_start = .;

  my_init_start = .;
  .my_init       :{*(.my_init)}
  my_init_end = .;
  .bss            :
  {
   *(.dynbss)
   *(.bss .bss.* .gnu.linkonce.b.*)
   *(COMMON)
   
   . = ALIGN(. != 0 ? 64 / 8 : 1);
  }
  .lbss   :
  {
    *(.dynlbss)
    *(.lbss .lbss.* .gnu.linkonce.lb.*)
    *(LARGE_COMMON)
  }
  . = ALIGN(64 / 8);
  . = SEGMENT_START("ldata-segment", .);
  .lrodata   ALIGN(ConSTANT (MAXPAGESIZE)) + (. & (ConSTANT (MAXPAGESIZE) - 1)) :
  {
    *(.lrodata .lrodata.* .gnu.linkonce.lr.*)
  }
  .ldata   ALIGN(ConSTANT (MAXPAGESIZE)) + (. & (ConSTANT (MAXPAGESIZE) - 1)) :
  {
    *(.ldata .ldata.* .gnu.linkonce.l.*)
    . = ALIGN(. != 0 ? 64 / 8 : 1);
  }
  . = ALIGN(64 / 8);
  _end = .; PROVIDE (end = .);
  . = DATA_SEGMENT_END (.);
  
  .stab          0 : { *(.stab) }
  .stabstr       0 : { *(.stabstr) }
  .stab.excl     0 : { *(.stab.excl) }
  .stab.exclstr  0 : { *(.stab.exclstr) }
  .stab.index    0 : { *(.stab.index) }
  .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
  .comment       0 : { *(.comment) }
  
  
  .debug          0 : { *(.debug) }
  .line           0 : { *(.line) }
  
  .debug_srcinfo  0 : { *(.debug_srcinfo) }
  .debug_sfnames  0 : { *(.debug_sfnames) }
  
  .debug_aranges  0 : { *(.debug_aranges) }
  .debug_pubnames 0 : { *(.debug_pubnames) }
  
  .debug_info     0 : { *(.debug_info .gnu.linkonce.wi.*) }
  .debug_abbrev   0 : { *(.debug_abbrev) }
  .debug_line     0 : { *(.debug_line .debug_line.* .debug_line_end ) }
  .debug_frame    0 : { *(.debug_frame) }
  .debug_str      0 : { *(.debug_str) }
  .debug_loc      0 : { *(.debug_loc) }
  .debug_macinfo  0 : { *(.debug_macinfo) }
  
  .debug_weaknames 0 : { *(.debug_weaknames) }
  .debug_funcnames 0 : { *(.debug_funcnames) }
  .debug_typenames 0 : { *(.debug_typenames) }
  .debug_varnames  0 : { *(.debug_varnames) }
  
  .debug_pubtypes 0 : { *(.debug_pubtypes) }
  .debug_ranges   0 : { *(.debug_ranges) }
  
  .debug_macro    0 : { *(.debug_macro) }
  .debug_addr     0 : { *(.debug_addr) }
  .gnu.attributes 0 : { KEEP (*(.gnu.attributes)) }
  /DISCARD/ : { *(.note.GNU-stack) *(.gnu_debuglink) *(.gnu.lto_*) }
}

（注意）以上文件内容和语法的更多详情需要参考：GNU链接器脚本和语法

【重新修改makefile，指定gcc链接脚本：gcc -T ./ldsModule.lds】

修改后文件如下：

#################################################################################
# driver 	test makefile file 
#datetime 	2021/10/24
#author 	iriczhao
##################################################################################

CC=cc
CC_FLAG=-Wall
  
PRG=app_demo
OBJ=module_1.o module_2.o app_demo.o
  
$(PRG):$(OBJ)
	gcc -T ./ldsModule.lds -o $@ $(OBJ)

.PRONY:clean
clean:
	@echo "Removing linked and compiled files......"
	rm -f $(OBJ) $(PRG)

【再次编译链接】运行程序结果如下图所示：

从上图中可见，module1和module2中使用MY_DECLAER_INIT宏声明的函数都被编译执行了，以此方式和思路实现了类似于linux内核中__init宏的机制。

利用__attribute__和__section__可以完成一些高级和复杂的操作。将一个函数或变量数据放入一个ELF的特殊段中，然后在程序中对该段中内容进行操作和调用，或者类似于linux一样当在内核启动和再将其释放掉。
本文所讨论的机制和技术，总而言之，就是链接器首先构造一个函数指针的列表，其中的每一个指针指向一个初始化函数，然后在代码中使用一个循环，依次执行这些函数。