x86平台linux系统重启流程跟踪

look_w

一直以来，笔者只知道重启Linux系统性使用reboot，但对其过程却无所知，涉及到哪些知识点也无概念。本文就跟踪一下重启的流程，平台为Intel x86，Linux内核版本为3.17。行文中“重启”与“复位”等价。
一、初识在Linux命令行下输入reboot，终端出现如下信息：

• * Stopping web server apache2         *   
• Stop in my script and clean net.rules ....  
• * Asking all remaining proc[ OK ]to terminate...         
• [ OK ] * All processes ended within 1 seconds...         
• rpcbind: rpcbind terminating on signal. Restart with "rpcbind -w"
  
• [ OK ]ctivating swap...         
• [ OK ] * Unmounting local filesystems...         
• * Will now restart  
• [  847.054796] reboot: Restarting system  

信息格式错乱，但不影响分析。系统首先做的是停止apache2，然后执行用户自定义脚本。再结束进程、卸载文件系统。最后提示“reboot: Restarting system”，便完成使命，系统重启。从上面信息第二行看到执行了笔者自己写的脚本，它的作用是用于清除70-persistent-net.rules文件，主要解决当时的一个棘手问题，离今二年有余，由是怀念。
二、用户空间本节抽取uClinux和busybox源码中关于重启部分函数代码，以便了解用户空间重启的过程。两者的重启代码具备一定代表。
先看一下uClinux重启代码片段：

• int main(int argc, char *argv[])  
• {  
•     kill(1, SIGTSTP);  
•     sync();  
•     signal(SIGTERM,SIG_IGN);  
•     setpgrp();  
•     kill(-1, SIGTERM);  
•     kill(-1, SIGHUP);  
•     sleep(1);  
•     kill(-1, SIGKILL);  
•     sync();  
•     sleep(1);  
• #if __GNU_LIBRARY__ > 5
  
•     reboot(0x01234567);  
• #else
  
•     reboot(0xfee1dead, 672274793, 0x01234567);  
• #endif
  
•     exit(0); /* Shrug */
  
• }  
  

• extern
  int bb_shutdown_system(unsigned long magic)  
• {  
•     int pri = LOG_KERN|LOG_NOTICE|LOG_FACMASK;  
•     const
  char *message;  
• 
  
•     /* Don't kill ourself */
  
•     signal(SIGTERM,SIG_IGN);  
•     signal(SIGHUP,SIG_IGN);  
•     setpgrp();  
• 
  
•     /* Allow Ctrl-Alt-Del to reboot system. */
  
• #ifndef RB_ENABLE_CAD
  
• #define RB_ENABLE_CAD   0x89abcdef
  
• #endif
  
•     reboot(RB_ENABLE_CAD);  
• 
  
•     openlog(bb_applet_name, 0, pri);  
• 
  
•     message = "\nThe system is going down NOW !!";  
•     syslog(pri, "%s", message);  
•     printf(bb_shutdown_format, message);  
• 
  
•     sync();  
• 
  
•     /* Send signals to every process _except_ pid 1 */
  
•     message = "Sending SIGTERM to all processes.";  
•     syslog(pri, "%s", message);  
•     printf(bb_shutdown_format, message);  
• 
  
•     kill(-1, SIGTERM);  
•     sleep(1);  
•     sync();  
• 
  
•     message = "Sending SIGKILL to all processes.";  
•     syslog(pri, "%s", message);  
•     printf(bb_shutdown_format, message);  
• 
  
•     kill(-1, SIGKILL);  
•     sleep(1);  
• 
  
•     sync();  
• 
  
•     reboot(magic);  
•     return 0; /* Shrug */
  
• }  

两者处理过程类似，首先调用kill发送信号，最后调用reboot函数。
reboot是一个系统调用，man手册说明如下：

• /* For libc4 and libc5 the library call and the system call
•    are identical, and since kernel version 2.1.30 there are
•    symbolic names LINUX_REBOOT_* for the constants and a
•    fourth argument to the call: */
  
• 
  
• #include <unistd.h>
  
• #include <linux/reboot.h>
  
• 
  
• int reboot(int magic, int magic2, int cmd, void *arg);  
• 
  
• /* Under glibc some of the constants involved have gotten
•    symbolic names RB_*, and the library call is a 1-argument
•    wrapper around the 3-argument system call: */
  
• 
  
• #include <unistd.h>
  
• #include <sys/reboot.h>
  
• 
  
• int reboot(int cmd);  

如果不考虑影响其它服务、进程的话，直接在代码调用reboot即可完成系统重启功能。
三、内核空间在了解用户空间的执行过程后，再看看内核空间是如何实现的。
前节提到reboot是一个系统调用。其定义位于kernel/reboot.c文件，如下：

• SYSCALL_DEFINE4(reboot, int, magic1, int, magic2, unsigned int, cmd,  
•           void __user *, arg)  
• {  
•      mutex_lock(&reboot_mutex);  
•      switch (cmd) {  
•      case LINUX_REBOOT_CMD_RESTART:  
•           kernel_restart(NULL);  
•           break;  
• 
  
•      case LINUX_REBOOT_CMD_HALT:  
•           kernel_halt();  
•           do_exit(0);  
•           panic("cannot halt");  
• 
  
•      case LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF:  
•           kernel_power_off();  
•           do_exit(0);  
•           break;  
• 
  
•      default:  
•           ret = -EINVAL;  
•           break;  
•      }  
•      mutex_unlock(&reboot_mutex);  
•      return ret;  
• }  

reboot进行LINUX_REBOOT_CMD_RESTART分支，调用的函数为kernel_restart。在终端看到的字符串“Restarting system”就是在里面打印的。它的实现如下(同样位于kernel/reboot.c文件)：

• void kernel_restart(char *cmd)  
• {  
•      kernel_restart_prepare(cmd);  
•      migrate_to_reboot_cpu();  
•      syscore_shutdown();  
•      if (!cmd)  
•           pr_emerg("Restarting system\n");  
•      else
  
•           pr_emerg("Restarting system with command '%s'\n", cmd);  
•      kmsg_dump(KMSG_DUMP_RESTART);  
•      machine_restart(cmd);  
• }  
• EXPORT_SYMBOL_GPL(kernel_restart);  

函数最后调用machine_restart。接着看一下machine_restart实现(位于arch/x86/kernel/reboot.c)：

• void machine_restart(char *cmd)  
• {  
•      machine_ops.restart(cmd);  
• }  

该函数调用了machine_ops结构体的函数指针，看一下machine_ops结构体定义(位于arch/x86/kernel/reboot.c)：

• struct machine_ops machine_ops = {  
•      .power_off = native_machine_power_off,  
•      .shutdown = native_machine_shutdown,  
•      .emergency_restart = native_machine_emergency_restart,  
•      .restart = native_machine_restart,  
•      .halt = native_machine_halt,  
• #ifdef CONFIG_KEXEC
  
•      .crash_shutdown = native_machine_crash_shutdown,  
• #endif
  
• };  

真正重启的restart实际上是native_machine_restart函数：

• static
  void native_machine_restart(char *__unused)  
• {  
•      pr_notice("machine restart\n");  
• 
  
•      if (!reboot_force)  
•           machine_shutdown();  
•      __machine_emergency_restart(0);  
• }  

继续看调用的函数__machine_emergency_restart：

• static
  void __machine_emergency_restart(int emergency)  
• {  
•      reboot_emergency = emergency;  
•      machine_ops.emergency_restart();  
• }  

而machine_ops.emergency_restart函数实际为native_machine_emergency_restart。
最终，重启实现的函数为native_machine_emergency_restar(位于arch/x86/kernel/reboot.c)：

• static
  void native_machine_emergency_restart(void)  
• {  
•      for (;;) {  
•           /* Could also try the reset bit in the Hammer NB */
  
•           switch (reboot_type) { // 重启标志：reboot_type。
  
•           case BOOT_ACPI:  
•                acpi_reboot();  
•                reboot_type = BOOT_KBD; // BOOT_ACPI不成功再到BOOT_KBD
  
•                break;  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_KBD:  
•                mach_reboot_fixups(); /* For board specific fixups */
  
• 
  
• 
  
•                for (i = 0; i < 10; i++) {  
•                     kb_wait();  
•                     udelay(50);  
•                     outb(0xfe, 0x64); /* Pulse reset low */
  
•                     outb(0x0e, 0xcf9); /* for byatrail e3800 SOC　by Late Lee*/
  
•                     udelay(50);  
•                }  
•                if (attempt == 0 && orig_reboot_type == BOOT_ACPI) {  
•                     attempt = 1;  
•                     reboot_type = BOOT_ACPI;  
•                } else {  
•                     reboot_type = BOOT_EFI; // BOOT_KBD不成功再到BOOT_EFI
  
•                }  
•                break;  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_EFI:  
•                efi_reboot(reboot_mode, NULL);  
•                reboot_type = BOOT_BIOS; // BOOT_EFI不成功再到BOOT_BIOS
  
•                break;  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_BIOS:  
•                machine_real_restart(MRR_BIOS);  
• 
  
• 
  
•                /* We're probably dead after this, but... */
  
•                reboot_type = BOOT_CF9_SAFE;// BOOT_BIOS不成功再到BOOT_CF9_SAFE
  
•                break;  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_CF9_FORCE:  
•                port_cf9_safe = true;  
•                /* Fall through */
  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_CF9_SAFE:  
•                if (port_cf9_safe) {  
•                     u8 reboot_code = reboot_mode == REBOOT_WARM ?  0x06 : 0x0E;  
•                     u8 cf9 = inb(0xcf9) & ~reboot_code;  
•                     outb(cf9|2, 0xcf9); /* Request hard reset */
  
•                     udelay(50);  
•                     /* Actually do the reset */
  
•                     outb(cf9|reboot_code, 0xcf9);  
•                     udelay(50);  
•                }  
•                reboot_type = BOOT_TRIPLE; // BOOT_CF9_SAFE不成功再到BOOT_TRIPLE
  
•                break;  
• 
  
• 
  
•           case BOOT_TRIPLE:  
•                load_idt(&no_idt);  
•                __asm__ __volatile__("int3");  
• 
  
• 
  
•                /* We're probably dead after this, but... */
  
•                reboot_type = BOOT_KBD;  
•                break;  
•           }  
•      }  
• }