attribute section 属性

一、__attribute__((__section__(section_name))) 简介

1. __attribute__((section("name"))) 是gcc编译器支持的一个编译特性（arm编译器也支持此特性），实现在编译时把某个函数/数据放到名为name的数据段中。原理如下：
(1) 模块通过 __attribute__((section("name")))，会构建初始化函数表，放到你命名为的name数据段中。
(2) 而默认链接脚本缺少自定义的数据段的声明，需要在链接脚本添加你定义的数据段的声明。
(3) main在执行初始化时，只需要把name数据段中的所有初始化接口执行一遍，即可实现不同模块间的隔离效果。

那么这里有两个问题 ：
(1) 如何再链接脚本中添加自己定义的数据段的声明.
(2) main是如何将放入数据段的模块接口都执行了一遍.

2. 链接脚本处理
内核是根据不同的架构，调用内核自己写的对应的链接脚本。ld链接命令有两个关键的选项如下:

ld -T <script> //指定链接时的链接脚本
ld --verbose //打印出默认的链接脚本

内核最终其实用了 ld -T arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds.S 指定架构对应的链接脚本，对于ARM64架构使用的就是 arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S。我们以”ARCH=arm“ 为例，查看链接脚本：arch/arm/kernel/vmlinux.lds，可以发现其实就在 .bss 数据段前添加了自己定义数据段的声明，如下：

//arch/arm64/include/asm/module.lds.h:
SECTIONS {
    #define INIT_CALLS_LEVEL(level)             \
        KEEP(*(.initcall##level##.init*))     \
        KEEP(*(.initcall##level##s.init*))

    .initcalls : {
        *(.initcalls._start)
        INIT_CALLS_LEVEL(0)
        INIT_CALLS_LEVEL(1)
        INIT_CALLS_LEVEL(2)
        INIT_CALLS_LEVEL(3)
        INIT_CALLS_LEVEL(4)
        INIT_CALLS_LEVEL(5)
        INIT_CALLS_LEVEL(rootfs)
        INIT_CALLS_LEVEL(6)
        INIT_CALLS_LEVEL(7)
        *(.initcalls._end)
    }
}

3. 举个内核中的例子

//include/linux/module.h
#define module_init(x)    __initcall(x);

//include/linux/init.h
#define __initcall(fn)    device_initcall(fn)
#define device_initcall(fn)    __define_initcall(fn, 6)
#define __define_initcall(fn, id) \
    static initcall_t __initcall_##fn##id \
    __used __attribute__((__section__(".initcall" #id ".init"))) = fn;

//module_init(ip_tables_init)展开为：
static initcall_t  _initcall_ip_tables_init_6    __attribute__((unused, section(".initcall6.init"))) = ip_tables_init;

main 执行初始化函数:

typedef int (*initcall_t)(void);

static initcall_t *initcall_levels[] __initdata = {
      __initcall0_start,
      __initcall1_start,
      __initcall2_start,
      __initcall3_start,
      __initcall4_start,
      __initcall5_start,
      __initcall6_start,
      __initcall7_start,
      __initcall_end,
};

static void __init do_initcalls(void)
{
    int level;

    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
        do_initcall_level(level);
}

static void __init do_initcall_level(int level)
{
    ......
    for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
        do_one_initcall(*fn);
}

int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)
{
    ......
    if (initcall_debug)
        ret = do_one_initcall_debug(fn);
    else
        ret = fn();
    ......
}

通过上述的代码追踪，我们发现 module_init 的实现有以下关键步骤：

(1) 通过 module_init 的宏，在编译时，把初始化函数放到了数据段：.initcall6.init。
(2) 在内核自定义的链接，申明了.initcall6.init 的数据段存放的位置，以及指向数据段地址的变量 _initcall6_start。
(3) 在init/main.c中的for循环，通过_initcall6_start 的指针，调用了所有注册的驱动模块的初始化接口。
(4) 最后通过 Kconfig/Makefile 选择编译的驱动，实现只要编译了驱动代码，则自动把驱动的初始化函数构建到统一的驱动初始化函数表。

 

二、移植内核代码测试

1. 在看内核中thermal驱动的代码时发现，各个governor就使用了 __attribute__ __section__ 属性，于是将其精简后移植到用户空间：

#include <stdio.h>


struct thermal_governor {
        char name[32];
        int (*bind_to_tz)(void);
        //struct list_head      governor_list;
};

//gcc 编译属性定义
#define __section(section)    __attribute__((__section__(section)))
//也就是向编译器说明这段代码有用，即使在没有用到的情况下编译器也不会警告，实测，这个不定义也行
#define __used   __attribute__((__used__))

//编译器自动生成的变量
extern struct thermal_governor *__governor_thermal_table[];
extern struct thermal_governor *__governor_thermal_table_end[];

#define THERMAL_TABLE_ENTRY(table, name)                        \
        static typeof(name) *__thermal_table_entry_##name       \
        __used __section("__" #table "_thermal_table") = &name

#define THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(name)  THERMAL_TABLE_ENTRY(governor, name)

//定义遍历函数
#define for_each_governor_table(__governor)             \
    for (__governor = __governor_thermal_table; __governor < __governor_thermal_table_end; __governor++)


//各个模块的使用，分布在不同模块中，这里写在一起了
static struct thermal_governor thermal_gov_power_allocator = {
    .name = "power_allocator",
};
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_power_allocator);

static struct thermal_governor thermal_gov_bang_bang = {
    .name = "bang_bang",
};
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_bang_bang);

static struct thermal_governor thermal_gov_user_space = {
    .name = "user_space",
};
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_user_space);

static struct thermal_governor thermal_gov_step_wise = {
    .name = "step_wise",
};
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_step_wise);

static struct thermal_governor thermal_gov_fair_share = {
    .name = "fair_share",
};
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_fair_share);


int main()
{
    struct thermal_governor **gov;

    for_each_governor_table(gov) {
        printf("%s\n", (*gov)->name);
    }

    return 0;
}

编译报错如下：

attribute_section$ gcc attribute_section_test.c -o pp
/tmp/cc2awnku.o: In function `main':
attribute_section_test.c:(.text+0x2a): undefined reference to `__governor_thermal_table_end'
collect2: error: ld returned 1 exit status

看来用户空间默认的链接器脚本帮我们定义了指针数组 __governor_thermal_table，却没有定义 __governor_thermal_table_end。内核的连接器脚本中两个都会定义。

通过命令”ld --verbose”获取默认链接脚本，然后拷贝"============================"中间的内容到 lds_my.lds 中，并在"__bss_start" 前面添加：

__governor_thermal_table = .;
__governor_thermal_table : { *(__governor_thermal_table) }
__governor_thermal_table_end = .;

然后，可以看到已经正常遍历所有的模块了：

attribute_section$ gcc attribute_section_test.c -o pp -T lds_my.lds 
attribute_section$ ./pp
power_allocator
bang_bang
user_space
step_wise
fair_share

2. 补充：模仿内核，创建 lds_my.lds.h 文件，并输入如下内容，然后在 lds_my.lds 中 #include <lds_my.lds.h>，实测不行，不能使用#include。

SECTIONS {
    __governor_thermal_table : ALIGN(8) {
        __governor_thermal_table = .;
        __governor_thermal_table : { *(__governor_thermal_table) }
        __governor_thermal_table_end = .;
    }
}

 

三、使用函数指针使用__section__属性

1. 对函数指针使用__section__属性

(1) 同理，在链接脚本 lds_my_funcp.lds 中加入如下链接定义

__my_init_call_start = .;
    .my.init : {*(.my.init)}
__my_init_call_end = .;

(2) 测试代码

#include <stdio.h>

typedef int (*init_call_type)(void *data);

extern init_call_type __my_init_call_start;
extern init_call_type __my_init_call_end;

#define DECLARE_INIT_CALL(func) \
    static init_call_type init_call_##func __attribute__((used, section(".my.init"))) = func

#define for_each_init_module(fn) \
    for (fn = &__my_init_call_start;    fn < &__my_init_call_end; fn++)


//modules define
int led_module_init(void *data)
{
    printf("%s\n", __func__);
}
DECLARE_INIT_CALL(led_module_init);

int video_module_init(void *data)
{
    printf("%s\n", __func__);
}
DECLARE_INIT_CALL(video_module_init);

int camera_module_init(void *data)
{
    printf("%s\n", __func__);
}
DECLARE_INIT_CALL(camera_module_init);


int main()
{
    init_call_type *fn;
    
    for_each_init_module(fn) {
        (*fn)(NULL);
    }
    
    return 0;
}

/*
attribute_section$ gcc attribute_section_funcp_test.c -o pp -T lds_my_funcp.lds 
attribute_section$ ./pp
led_module_init
video_module_init
camera_module_init
*/

2. 总结

(1) 链接后，自己定义的 __my_init_call_start 和 __my_init_call_end 只是两个地址常量，而且应该是没有类型的地址常量，可以将其当做指针或指针数组，将其赋值给一级指针或二级指针都不会报warning。这两个常量之间存的内容是函数指针的地址，指针指向的是函数，因此需要两次解引用才能调用到原来的函数，因此变量变量需要是一个二级指针。

(2) 下面两种格式都行

__attribute__((__section__("section_name")))
__attribute__((section(".my.init")))

 

3. 补充

(1) __COUNTER__ 是 GNU 编译器的非标准编译器扩展。可以认为它是一个计数器，代表一个整数，它的值一般被初始化为0，在每次编译器编译到它时，会自动 +1. 用法参考 ___define_initcall 宏。