阅读内核系列之调度器为何全局导出
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[导读] Linux内核代码庞大，阅读内核书籍总觉得云山雾绕，纸上得来终觉浅，希望通过阅读代码撰写笔记，尝试将这美人神秘的面纱掀开一角，管中窥豹，见一点真容。水平所限，错误难免，恳请交流指正。
前情提要
《阅读内核系列之EXPORT_SYMBOL展开》将EXPORT_SYMBOL(schedule)展开：
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);
全部展开后，得到了什么呢（前文中__EXPORT_SYMBOL(sym, sec) sec弄错了，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 };
这样还是不直观，去掉不必要的换行符，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());
}
/*以下部分都属于EXPORT_SYMBOL(schedule)的展开*/
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相关知识点梳理
要理解上述代码，感觉还是很难，先来梳理一下其中一些关键字，好多没见过？憋急。
-
asmlinkage，其一：用于指定函数的参数都栈中，而不应在寄存器中；其二，指定一个函数为asmlinkage，则汇编代码中可以调用该函数。参考https://kernelnewbies.org/FAQ/asmlinkage
-
阅读Linux内核代码，发现大量的文件名同名，如不理清其内在机理，这很让人头脑发胀。这里以linkage.h为例来探讨一下。
看到有博文说asmlinkage其根源如下：
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))但仔细查看代码，这仅仅是对x86体系而言,而比如针对IA64（英特尔安腾架构（Intel Itanium architecture））而言：
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((syscall_linkage))所以不同的体系结构为实现前述目的是有差异的。
-
__attribute__ ,关键字__attribute__用来指定变量，函数参数或结构，联合以及在C ++中的类成员的特殊属性。__attribute__关键字后跟一个用双括号括起来的属性规范。当前通常为变量定义一些属性。为特定目标系统上的变量定义了其他属性。其他属性可用于函数（请参见“函数属性”），标签（请参见“标签属性”），枚举（请参见“枚举器属性”），语句（请参见“语句属性”）和类型（请参见“类型属性”）。有需要的时候可以去查阅gcc文档： https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Attribute-Syntax.html
-
typeof，是gcc的扩展关键字。参考gcc 9.3.0手册 P475：
引用表达式类型的另一种方法是使用typeof。其语法看起来像sizeof，但是该构造在语义上类似于使用typedef定义的类型名称。有两种方式将参数写入typeof：使用表达式或类型。
很可能没见过这种特性，那有啥妙用呢？
#define SWAP(a, b) {\
typeof(a) _t=a;\
a=b;\
b=_t;}写的这么复杂干啥呢？其一、用大括号括起来定义的_b作用域限定了，不会有重名的问题，其二、利用typeof(a) _t=a,则可以获取a的类型，具有普适性。所谓普适性，即便对这个宏传入两个结构体也是运行的。如果不这么做，用函数实现需要做到普适性则比较麻烦，如果一定要做肯定也有办法，比如swap(void *a, void * b，int length),直接交换内存。但远不如这个宏来的简单。
-
表达式的示例：typeof（x [0]（1）） 假设x是一个指向函数的指针数组；则上述语句描述的类型是函数值的类型。
-
类型名示例
typeof (int *)
这里描述的类型是指向int的指针类型。
-
__visible ，这在哪里实现的呢？这是将gcc的__externally_visible__属性利用宏转定义了，以增加可读性。用于声明全局可见。该宏定义位于：
./include/linux/compiler_attributes.h中
#if __has_attribute(__externally_visible__)
#define __visible __attribute__((__externally_visible__))
#else
#define __visible
#endif
-
__sched,这个咋一看，也是一头雾水。找到出处：./include/sched/debug.h
/* 声明存储位置在.sched.text中. */
#define __sched __attribute__((__section__(".sched.text")))类似地，还有
#define __init_thread_info __attribute__((__section__(".data..init_thread_info"))) -
weak，若两个或两个以上全局符号（函数或变量名）名字一样，而其中之一声明为weak symbol（弱符号），则这些全局符号不会引发重定义错误。链接器会忽略弱符号，去使用普通的全局符号来解析所有对这些符号的引用，但当普通的全局符号不可用时，链接器会使用弱符号。当有函数或变量名可能被用户覆盖时，该函数或变量名可以声明为一个弱符号。当weak和alias属性连用时，还可以声明弱别名。
-
unused，附加到函数的此属性意味着如果该函数未被使用。GCC不会对此功能发出警告。
-
两个以双引号的字符串，编译预处理时，会自动连接为一个字符串。
"_" "schedule" 变成 “_schedule”
-
__used， __unused__属性，在./include/compiler.h定义
#define __used __attribute__((__used__))该属性附加在函数上，表示即使未引用该函数，也必须将该函数链接在目标文件中。
再看EXPORT_SYMBOL(schedule)展式
好了，前面的都整明白了，再来看前面的那段代码：
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());
}
/*以下部分都属于EXPORT_SYMBOL(schedule)的展开*/
/*利用typeof全局声明schedule函数*/
extern typeof(schedule) schedule;
/*全局声明__crc_schedule,并声明为weak属性*/
extern __visible void *__crc_schedule __attribute__((weak));
/*局部const定义__crc_schedule，指定存储位置*/
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;
/*将schedule 及字符串属性利用kernel_symbol封装对外可见*/
__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>
/*
*将ksymtab条目作为一对相对引用链接：
*在64位体系结构上，这将大小减小了一半，
*并且消除了需要在可重定位内核上进行运
*行时处理的绝对重定位的需求。
*/
#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
为何将主调度器全局导出
至此，调度对外导出就基本明晰了，但是进一步引申思考？为什么还要将调度器schedule以模块形式对外导出呢？EXPORT_SYMBOL对外导出，那么导出的作用域究竟多大呢，所包住的函数在内核代码中全局可见，也就意味着其他的内核模块可以使用该函数。但是貌似还是没有回答说为啥要将调度器对外导出，潜意识我们会认为调度器直接在后台像个勤劳的大管家，在哪里不停的忙活就完了，难不成其他模块还要主动去调用调度器不成。为了验证猜想，搜一下吧：
看来猜想没错，事实上：schedule就是主调度器的函数, 在内核中的许多地方, 如果要将CPU分配给与当前活动进程不同的另一个进程, 都会直接主动调用主调度器函数schedule.该函数完成如下工作：
-
确定当前就绪队列, 并在保存一个指向当前(仍然)活动进程的task_struct指针； -
检查死锁, 关闭内核抢占后调用__schedule完成内核调度； -
恢复内核抢占, 然后检查当前进程是否设置了重调度标志TLF_NEDD_RESCHED, 如果该进程被其他进程设置了TIF_NEED_RESCHED标志, 则函数重新执行进行调度。
asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
/* 获取当前的进程 */
struct task_struct *tsk = current;
/* 避免死锁 */
sched_submit_work(tsk);
do {
preempt_disable(); /* 关闭内核抢占 */
__schedule(false); /* 完成调度 */
sched_preempt_enable_no_resched(); /* 开启内核抢占 */
} while (need_resched());
/* 如果该进程被其他进程设置了TIF_NEED_RESCHED标志，则函数重新执行进行调度 */
}
EXPORT_SYMBOL(schedule);
以./drivers/s390/crypto/ap_bus.c 的函数ap_poll_thread为例：
/*ap_poll_thread（）：轮询完成的请求的线程。AP总线轮询线程
*该线程的目的是在循环中轮询存在的请求，如果有一个“空闲”的cpu，
*就不需要做什么。 只要有其他任务或所有消息都已传递，轮询就会停止。*/
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()) {
/*主动调用调度器*/
schedule();
try_to_freeze();
continue;
}
ap_tasklet_fn(0);
}
return 0;
}
关于内核调度器究竟如何工作，还没开始读，如有兴趣，请继续关注。
—END—
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