閱讀內(nèi)核系列之調(diào)度器為何全局導(dǎo)出

時(shí)間：2020-05-07 01:01:16

關(guān)鍵字：內(nèi)核調(diào)度器 BSP BLE

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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)嵌入式客棧，干貨及時(shí)送達(dá) [導(dǎo)讀] Linux內(nèi)核代碼龐大，閱讀內(nèi)核書籍總覺得云山霧繞，紙上得來終覺淺，希望通過閱讀代碼撰寫筆記，嘗試將這美人神秘的面紗掀開一角，管中窺豹，見一點(diǎn)真容。水平所限，錯(cuò)誤難免，懇請(qǐng)交流指正。前情提要《閱讀內(nèi)核

關(guān)注、星標(biāo)嵌入式客棧，干貨及時(shí)送達(dá)

[導(dǎo)讀] Linux內(nèi)核代碼龐大，閱讀內(nèi)核書籍總覺得云山霧繞，紙上得來終覺淺，希望通過閱讀代碼撰寫筆記，嘗試將這美人神秘的面紗掀開一角，管中窺豹，見一點(diǎn)真容。水平所限，錯(cuò)誤難免，懇請(qǐng)交流指正。

前情提要

《閱讀內(nèi)核系列之EXPORT_SYMBOL展開》將EXPORT_SYMBOL(schedule)展開：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
 struct task_struct *tsk = current;
    
 sched_submit_work(tsk);
 do {
  preempt_disable();
  __schedule(false);
  sched_preempt_enable_no_resched();
 } while (need_resched());
}
EXPORT_SYMBOL(schedule);

全部展開后，得到了什么呢（前文中__EXPORT_SYMBOL(sym, sec) sec弄錯(cuò)了，修正如下）？

    extern typeof(schedule) schedule;                                    \
    extern __visible void *__crc_schedule __attribute__((weak));         \
    static const unsigned long __kcrctab_schedule                        \
    __used                                                               \
    __attribute__((section("___kcrctab" "" "+" "schedule"), unused))     \
    = (unsigned long) &__crc_schedule;      
   static const char __kstrtab_schedule[]                                \
    __attribute__((section("__ksymtab_strings"), aligned(1)))            \
    = "_" "schedule";                                                    \
    extern const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule;                \
    __visible const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule              \
    __used                                                               \
    __attribute__((section("___ksymtab" "" "+" "schedule"), unused))    \
    = { (unsigned long)&schedule, __kstrtab_schedule };

這樣還是不直觀，去掉不必要的換行符，整理一下：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
 struct task_struct *tsk = current;
    
 sched_submit_work(tsk);
 do {
  preempt_disable();
  __schedule(false);
  sched_preempt_enable_no_resched();
 } while (need_resched());
} 
/*以下部分都屬于EXPORT_SYMBOL(schedule)的展開*/
extern typeof(schedule) schedule;
extern __visible void *__crc_schedule __attribute__((weak));

static const unsigned long __kcrctab_schedule __used                 \
__attribute__((section("___kcrctab+schedule"), unused))    \
= (unsigned long) &__crc_schedule;     

static const char __kstrtab_schedule[] __attribute__((section("__ksymtab_strings"), aligned(1)))  = "_" "schedule";                                     

extern const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule; 

__visible const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule __used __attribute__((section("___ksymtab" "" "+" "schedule"), unused)) = { 
    (unsigned long)&schedule, __kstrtab_schedule 
};

gcc相關(guān)知識(shí)點(diǎn)梳理

要理解上述代碼，感覺還是很難，先來梳理一下其中一些關(guān)鍵字，好多沒見過？憋急。

asmlinkage，其一：用于指定函數(shù)的參數(shù)都棧中，而不應(yīng)在寄存器中；其二，指定一個(gè)函數(shù)為asmlinkage，則匯編代碼中可以調(diào)用該函數(shù)。參考https://kernelnewbies.org/FAQ/asmlinkage
閱讀Linux內(nèi)核代碼，發(fā)現(xiàn)大量的文件名同名，如不理清其內(nèi)在機(jī)理，這很讓人頭腦發(fā)脹。這里以linkage.h為例來探討一下。

看到有博文說asmlinkage其根源如下：
```
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))
```
但仔細(xì)查看代碼，這僅僅是對(duì)x86體系而言,而比如針對(duì)IA64（英特爾安騰架構(gòu)（Intel Itanium architecture））而言：
```
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((syscall_linkage))
```
所以不同的體系結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)前述目的是有差異的。
__attribute__ ,關(guān)鍵字__attribute__用來指定變量，函數(shù)參數(shù)或結(jié)構(gòu)，聯(lián)合以及在C ++中的類成員的特殊屬性。__attribute__關(guān)鍵字后跟一個(gè)用雙括號(hào)括起來的屬性規(guī)范。當(dāng)前通常為變量定義一些屬性。為特定目標(biāo)系統(tǒng)上的變量定義了其他屬性。其他屬性可用于函數(shù)（請(qǐng)參見“函數(shù)屬性”），標(biāo)簽（請(qǐng)參見“標(biāo)簽屬性”），枚舉（請(qǐng)參見“枚舉器屬性”），語句（請(qǐng)參見“語句屬性”）和類型（請(qǐng)參見“類型屬性”）。有需要的時(shí)候可以去查閱gcc文檔： https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Attribute-Syntax.html

typeof，是gcc的擴(kuò)展關(guān)鍵字。參考gcc 9.3.0手冊(cè) P475：

引用表達(dá)式類型的另一種方法是使用typeof。其語法看起來像sizeof，但是該構(gòu)造在語義上類似于使用typedef定義的類型名稱。有兩種方式將參數(shù)寫入typeof：使用表達(dá)式或類型。

很可能沒見過這種特性，那有啥妙用呢？
```
#define SWAP(a, b)  {\
      typeof(a) _t=a;\
      a=b;\
      b=_t;}
```
寫的這么復(fù)雜干啥呢？其一、用大括號(hào)括起來定義的_b作用域限定了，不會(huì)有重名的問題，其二、利用typeof(a) _t=a,則可以獲取a的類型，具有普適性。所謂普適性，即便對(duì)這個(gè)宏傳入兩個(gè)結(jié)構(gòu)體也是運(yùn)行的。如果不這么做，用函數(shù)實(shí)現(xiàn)需要做到普適性則比較麻煩，如果一定要做肯定也有辦法，比如swap(void *a, void * b，int length),直接交換內(nèi)存。但遠(yuǎn)不如這個(gè)宏來的簡(jiǎn)單。

表達(dá)式的示例：typeof（x [0]（1））假設(shè)x是一個(gè)指向函數(shù)的指針數(shù)組；則上述語句描述的類型是函數(shù)值的類型。
類型名示例

typeof (int *)

這里描述的類型是指向int的指針類型。

__visible ，這在哪里實(shí)現(xiàn)的呢？這是將gcc的__externally_visible__屬性利用宏轉(zhuǎn)定義了，以增加可讀性。用于聲明全局可見。該宏定義位于：

./include/linux/compiler_attributes.h中

#if __has_attribute(__externally_visible__)
#define __visible __attribute__((__externally_visible__))
#else
#define __visible
#endif

__sched,這個(gè)咋一看，也是一頭霧水。找到出處：./include/sched/debug.h

/* 聲明存儲(chǔ)位置在.sched.text中. */
#define __sched	 __attribute__((__section__(".sched.text")))

類似地，還有

#define __init_thread_info __attribute__((__section__(".data..init_thread_info")))

weak，若兩個(gè)或兩個(gè)以上全局符號(hào)（函數(shù)或變量名）名字一樣，而其中之一聲明為weak symbol（弱符號(hào)），則這些全局符號(hào)不會(huì)引發(fā)重定義錯(cuò)誤。鏈接器會(huì)忽略弱符號(hào)，去使用普通的全局符號(hào)來解析所有對(duì)這些符號(hào)的引用，但當(dāng)普通的全局符號(hào)不可用時(shí)，鏈接器會(huì)使用弱符號(hào)。當(dāng)有函數(shù)或變量名可能被用戶覆蓋時(shí)，該函數(shù)或變量名可以聲明為一個(gè)弱符號(hào)。當(dāng)weak和alias屬性連用時(shí)，還可以聲明弱別名。
unused，附加到函數(shù)的此屬性意味著如果該函數(shù)未被使用。GCC不會(huì)對(duì)此功能發(fā)出警告。
兩個(gè)以雙引號(hào)的字符串，編譯預(yù)處理時(shí)，會(huì)自動(dòng)連接為一個(gè)字符串。

"_" "schedule" 變成 “_schedule”
__used， __unused__屬性，在./include/compiler.h定義
```
#define __used   __attribute__((__used__))
```
該屬性附加在函數(shù)上，表示即使未引用該函數(shù)，也必須將該函數(shù)鏈接在目標(biāo)文件中。

再看EXPORT_SYMBOL(schedule)展式

好了，前面的都整明白了，再來看前面的那段代碼：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
 struct task_struct *tsk = current;
    
 sched_submit_work(tsk);
 do {
  preempt_disable();
  __schedule(false);
  sched_preempt_enable_no_resched();
 } while (need_resched());
} 

/*以下部分都屬于EXPORT_SYMBOL(schedule)的展開*/
/*利用typeof全局聲明schedule函數(shù)*/
extern typeof(schedule) schedule;
/*全局聲明__crc_schedule,并聲明為weak屬性*/
extern __visible void *__crc_schedule __attribute__((weak));

/*局部const定義__crc_schedule，指定存儲(chǔ)位置*/
static const unsigned long __kcrctab_schedule __used                 \
__attribute__((section("___kcrctab + schedule"), unused))    \
= (unsigned long) &__crc_schedule;     

static const char __kstrtab_schedule[] __attribute__((section("__ksymtab_strings"), aligned(1)))  = "_schedule";                                     

extern const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule; 

/*將schedule 及字符串屬性利用kernel_symbol封裝對(duì)外可見*/
__visible const struct kernel_symbol __ksymtab_schedule __used __attribute__((section("___ksymtab + schedule"), unused)) = { 
    (unsigned long)&schedule, __kstrtab_schedule 
};

kernel_symbol 位于./include/linux/export.h 中：

#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_PREL32_RELOCATIONS
#include <linux/compiler.h>
/*
*將ksymtab條目作為一對(duì)相對(duì)引用鏈接：
*在64位體系結(jié)構(gòu)上，這將大小減小了一半，
*并且消除了需要在可重定位內(nèi)核上進(jìn)行運(yùn)
*行時(shí)處理的絕對(duì)重定位的需求。
*/
#define __KSYMTAB_ENTRY_NS(sym, sec)     \
 __ADDRESSABLE(sym)      \
 asm(" .section \"___ksymtab" sec "+" #sym "\", \"a\" \n" \
     " .balign 4         \n" \
     "__ksymtab_" #sym ":    \n" \
     " .long " #sym "- .    \n" \
     " .long __kstrtab_" #sym "- . \n" \
     " .long __kstrtabns_" #sym "- . \n" \
     " .previous     \n")

#define __KSYMTAB_ENTRY(sym, sec)   \
 __ADDRESSABLE(sym)      \
 asm(" .section \"___ksymtab" sec "+" #sym "\", \"a\" \n" \
     " .balign 4         \n" \
     "__ksymtab_" #sym ":    \n" \
     " .long " #sym "- .    \n" \
     " .long __kstrtab_" #sym "- . \n" \
     " .long 0         \n" \
     " .previous         \n")

struct kernel_symbol {
 int value_offset;
 int name_offset;
 int namespace_offset;
};
#else
#define __KSYMTAB_ENTRY_NS(sym, sec)             \
 static const struct kernel_symbol __ksymtab_##sym      \
 __attribute__((section("___ksymtab" sec "+" #sym), used)) \
 __aligned(sizeof(void *))                     \
 = { (unsigned long)&sym, __kstrtab_##sym, __kstrtabns_##sym }

#define __KSYMTAB_ENTRY(sym, sec)                 \
 static const struct kernel_symbol __ksymtab_##sym      \
 __attribute__((section("___ksymtab" sec "+" #sym), used)) \
 __aligned(sizeof(void *))                     \
 = { (unsigned long)&sym, __kstrtab_##sym, NULL }

struct kernel_symbol {
 unsigned long value;
 const char *name;
 const char *namespace;
};
#endif

為何將主調(diào)度器全局導(dǎo)出

至此，調(diào)度對(duì)外導(dǎo)出就基本明晰了，但是進(jìn)一步引申思考？為什么還要將調(diào)度器schedule以模塊形式對(duì)外導(dǎo)出呢？EXPORT_SYMBOL對(duì)外導(dǎo)出，那么導(dǎo)出的作用域究竟多大呢，所包住的函數(shù)在內(nèi)核代碼中全局可見，也就意味著其他的內(nèi)核模塊可以使用該函數(shù)。但是貌似還是沒有回答說為啥要將調(diào)度器對(duì)外導(dǎo)出，潛意識(shí)我們會(huì)認(rèn)為調(diào)度器直接在后臺(tái)像個(gè)勤勞的大管家，在哪里不停的忙活就完了，難不成其他模塊還要主動(dòng)去調(diào)用調(diào)度器不成。為了驗(yàn)證猜想，搜一下吧：

看來猜想沒錯(cuò)，事實(shí)上：schedule就是主調(diào)度器的函數(shù), 在內(nèi)核中的許多地方, 如果要將CPU分配給與當(dāng)前活動(dòng)進(jìn)程不同的另一個(gè)進(jìn)程, 都會(huì)直接主動(dòng)調(diào)用主調(diào)度器函數(shù)schedule.該函數(shù)完成如下工作：

確定當(dāng)前就緒隊(duì)列, 并在保存一個(gè)指向當(dāng)前(仍然)活動(dòng)進(jìn)程的task_struct指針；
檢查死鎖, 關(guān)閉內(nèi)核搶占后調(diào)用__schedule完成內(nèi)核調(diào)度；
恢復(fù)內(nèi)核搶占, 然后檢查當(dāng)前進(jìn)程是否設(shè)置了重調(diào)度標(biāo)志TLF_NEDD_RESCHED, 如果該進(jìn)程被其他進(jìn)程設(shè)置了TIF_NEED_RESCHED標(biāo)志, 則函數(shù)重新執(zhí)行進(jìn)行調(diào)度。

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{

    /*  獲取當(dāng)前的進(jìn)程  */
    struct task_struct *tsk = current;

    /*  避免死鎖 */
    sched_submit_work(tsk);
    do {
        preempt_disable();                    /*  關(guān)閉內(nèi)核搶占  */
        __schedule(false);                    /*  完成調(diào)度  */
        sched_preempt_enable_no_resched();    /*  開啟內(nèi)核搶占  */
    } while (need_resched());   
    /*  如果該進(jìn)程被其他進(jìn)程設(shè)置了TIF_NEED_RESCHED標(biāo)志，則函數(shù)重新執(zhí)行進(jìn)行調(diào)度    */
}
EXPORT_SYMBOL(schedule);

以./drivers/s390/crypto/ap_bus.c 的函數(shù)ap_poll_thread為例：

/*ap_poll_thread（）：輪詢完成的請(qǐng)求的線程。AP總線輪詢線程
*該線程的目的是在循環(huán)中輪詢存在的請(qǐng)求，如果有一個(gè)“空閑”的cpu，
*就不需要做什么。 只要有其他任務(wù)或所有消息都已傳遞，輪詢就會(huì)停止。*/
static int ap_poll_thread(void *data)
{
 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

 set_user_nice(current, MAX_NICE);
 set_freezable();
 while (!kthread_should_stop()) {
  add_wait_queue(&ap_poll_wait, &wait);
  set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
  if (ap_suspend_flag || !ap_pending_requests()) {
   schedule();
   try_to_freeze();
  }
  set_current_state(TASK_RUNNING);
  remove_wait_queue(&ap_poll_wait, &wait);
  if (need_resched()) {
            /*主動(dòng)調(diào)用調(diào)度器*/
   schedule();
   try_to_freeze();
   continue;
  }
  ap_tasklet_fn(0);
 }

 return 0;
}

關(guān)于內(nèi)核調(diào)度器究竟如何工作，還沒開始讀，如有興趣，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注。

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—END—

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