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linux kernel booting 第1篇| kernel version的实现原理

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引言

kernel 启动时通常会看到下面第二行信息的内容,它们代表了当前 kernel 的版本、编译工具版本、编译环境等信息。

Booting Linux on physical CPU 0x0
Linux version 5.4.124+ (funny@funny) (gcc version 6.5.0 (Linaro GCC 6.5-2018.12)) #30 SMP Sat Sep 11 11:10:28 CST 2021
......

要知道,系统启动过程中的任何一条打印信息,都是经过了无数次讨论和验证才呈现在大家的面前。看似无关紧要的一条信息,但背后却隐藏着非常有趣的故事。

为什么要打印version信息

当系统启动之后有很多种方式能够确定内核版本号信息,在嵌入式或安卓 kernel 系统下,查看版本信息:

  • uname
[root@cpu ]# uname -a
Linux cpu 5.4.124+ #30 SMP Sat Sep 11 11:10:28 CST 2021 armv7l GNU/Linux
[root@cpu ]#
  • proc/version
[root@cpu ]# cat /proc/version
Linux version 5.4.124+ (funny@funny) (gcc version 6.5.0 (Linaro GCC 6.5-2018.12)) #30 SMP Sat Sep 11 11:10:28 CST 2021
[root@cpu ]#

在发行版 linux 系统环境下,还可以用下面的命令查看版本信息:

  • hostnamectl
funny@funny:~$ hostnamectl
   Static hostname: funny
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
  ...
    Virtualization: vmware
  Operating System: Ubuntu 16.04.7 LTS
            Kernel: Linux 4.15.0-142-generic
      Architecture: x86-64
funny@funny:~$
  • lsb_release
No LSB modules are available.
Distributor ID: Ubuntu
Description:    Ubuntu 16.04.7 LTS
Release:        16.04
Codename:       xenial

以上方法都是系统启动正常、加载完文件系统之后使用的。
那么,系统启动过程中是否有必要打印内核版本信息呢?答案是完全有必要。


例如下面列出的几种应用场景:

  1. SoC 芯片的 kernel 适配
  2. 可装载驱动程序调试
  3. 多分支内核版本加载
  4. 内核伪装

kernel version实现原理

kernel version这条打印信息来源于start_kernl()中的linux_banner字符串。

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
...
 boot_cpu_init();
 page_address_init();
 pr_notice("%s", linux_banner);
...

这里的banner好比是ubuntu系统里的ssh登录横幅一样,呈现了系统的一些基本信息。

Welcome to Ubuntu 16.04.7 LTS (GNU/Linux 4.15.0-142-generic x86_64)

 * Documentation:  https://help.ubuntu.com
 * Management:     https://landscape.canonical.com
 * Support:        https://ubuntu.com/advantage

 * Super-optimized for small spaces - read how we shrank the memory
   footprint of MicroK8s to make it the smallest full K8s around.

   https://ubuntu.com/blog/microk8s-memory-optimisation
...

banner字符串的定义位于init/version.c中,注意,它是一个只读字符串,不要去修改它。

const char linux_banner[] =
 "Linux version " UTS_RELEASE " (" LINUX_COMPILE_BY "@"
 LINUX_COMPILE_HOST ") (" LINUX_COMPILER ") " UTS_VERSION "\n";

由以下几部分组成:

  • UTS_RELEASE
    对应”5.4.124+”
  • LINUX_COMPILE_BY
    对应”funny”,我的编译机funny
  • LINUX_COMPILE_HOST
    对应”funny”,我的编译机Host是funny
  • LINUX_COMPILER
    对应”gcc version 6.5.0 (Linaro GCC 6.5-2018.12″
  • UTS_VERSION
    对应”#30 SMP Sat Sep 11 11:10:28 CST 2021″
    UTS:Unix Time Stamp,从这个名字可以看出linux中的UNIX印记。

接下来对这些字符串逐条进行解析

上面这些宏的第一级定义位于./scripts/mkcompile_h文件中。

{ echo /\* This file is auto generated, version $VERSION \*/
  if [ -n "$CONFIG_FLAGS" ] ; then echo "/* $CONFIG_FLAGS */"; fi

  echo \#define UTS_MACHINE \"$ARCH\"

  echo \#define UTS_VERSION \"`echo $UTS_VERSION | $UTS_TRUNCATE`\"

  echo \#define LINUX_COMPILE_BY \"`echo $LINUX_COMPILE_BY | $UTS_TRUNCATE`\"
  echo \#define LINUX_COMPILE_HOST \"`echo $LINUX_COMPILE_HOST | $UTS_TRUNCATE`\"

  echo \#define LINUX_COMPILER \"`$CC -v 2>&1 | grep ' version ' | sed 's/[[:space:]]*$//'`\"
} > .tmpcompile

UTS_VERSION

UTS_VERSION="#$VERSION"
CONFIG_FLAGS=""
if [ -n "$SMP" ] ; then CONFIG_FLAGS="SMP"; fi
if [ -n "$PREEMPT" ] ; then CONFIG_FLAGS="$CONFIG_FLAGS PREEMPT"; fi
if [ -n "$PREEMPT_RT" ] ; then CONFIG_FLAGS="$CONFIG_FLAGS PREEMPT_RT"; fi
UTS_VERSION="$UTS_VERSION $CONFIG_FLAGS $TIMESTAMP"

LINUX_COMPILE_BY
LINUX_COMPILE_HOST
LINUX_COMPILER

 if test -z "$KBUILD_BUILD_USER"; then
         LINUX_COMPILE_BY=$(whoami | sed 's/\\/\\\\/')
 else
         LINUX_COMPILE_BY=$KBUILD_BUILD_USER
 fi
 if test -z "$KBUILD_BUILD_HOST"; then
         LINUX_COMPILE_HOST=`hostname`
 else
         LINUX_COMPILE_HOST=$KBUILD_BUILD_HOST
 fi

UTS_RELEASE — 重点分析这个宏的来源
这是一个在kernel顶层Makefile中定义的一个宏,如下:

uts_len := 64
define filechk_utsrelease.h
        if [ `echo -n "$(KERNELRELEASE)" | wc -c ` -gt $(uts_len) ]; then \
          echo '"$(KERNELRELEASE)" exceeds $(uts_len) characters' >&2;    \
          exit 1;                                                         \
        fi;                                                               \
        echo \#define UTS_RELEASE \"$(KERNELRELEASE)\"
endef

提高make的打印等级可以看到,上面的脚本内容经过翻译之后如下:

if [ `echo -n "5.4.124+" | wc -c ` -gt 64 ]; then echo '"5.4.124+" exceeds 64 characters' >&2; exit 1; fi; echo \#define UTS_RELEASE \"5.4.124+\"; }

现在可以确定KERNELRELEASE就是从kernel.release文件中获取到的。打开kernel.release确认一下:

其中KERNELRELEASE对应5.4.124+


KERNELRELEASE又是怎么来的呢?
KERNELRELEASE同样也是在Makefile中定义的、自动生成的字符串,它可以在多个地方被修改。在Makefile中查找KERNELRELEASE字符串,看见它是由下面这条命令生成的。

KERNELRELEASE = $(shell cat include/config/kernel.release 2> /dev/null)

这条命令里的2>/dev/null的含义是:若cat失败即没有取到文件内容,那么将错误信息输出到黑洞文件。
通过下面命令验证:

funny@funny:~$ cat funny.txt
funny? yeah
funny@funny:~$ B=$(cat funny.txt 2> /dev/null)
funny@funny:~$ echo $B
funny? yeah
funny@funny:~$

一切准备就绪之后,通过下面的代码将UTS_RELEASE更新到utsrelease.h中。

1195 include/generated/utsrelease.h: include/config/kernel.release FORCE
1196         $(call filechk,utsrelease.h)

其中filechk的定义位于scripts/Kbuild.include

define filechk
        $(Q)set -e;                                             \
        mkdir -p $(dir $@);                                     \
        trap "rm -f $(dot-target).tmp" EXIT;                    \
        { $(filechk_$(1)); } > $(dot-target).tmp;               \
        if [ ! -r $@ ] || ! cmp -s $@ $(dot-target).tmp; then   \
                $(kecho) '  UPD     $@';                        \
                mv -f $(dot-target).tmp $@;                     \
        fi
endef

而utsrelease.h中内容如下:

linux$ cat ./obj/include/generated/utsrelease.h
#define UTS_RELEASE "5.4.124+"
linux$

这就是我们内核启动过程中打印出来的kernel version信息。

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