Linux reboot全过程

一、版本说明

嵌入式Linux 下面的reboot命令看似简单，但出问题时定位起来发现别有洞天。

下面就按在shell下执行reboot命令之后程序的执行过程进行解析。

Busybox：1.23.2                        ——制作跟文件系统，/sbin/reboot程序的由来

Libc：2.6.1                                  ——标准C库

Linux kernel：2.6.35                 ——内核版本

 
二、流程简介

         如图所示是reboot的简要流程图。

 


 普通的reboot是通过busybox为入口，进入halt_main函数，然后给init进程发送SIGTERM信号，init进程接收到信号后给其他进程发送终止信号，最后调用C库函数reboot，reboot通过系统调用sys_reboot进入内核，内核将整个系统重启。其中在shell中执行reboot –f则通过halt_main直接调用C函数reboot，不经过init进程。
三、代码详解
1.reboot命令端

执行reboot命令，busybox检查当前命令为reboot，进入函数halt_main，

reboot，halt和poweroff都会进入这个函数，不同的命令发送的信号和执行的操作不同。

现只分析reboot的情况。
代码如下

    int halt_main(int argc, char **argv) MAIN_EXTERNALLY_VISIBLE;
    int halt_main(int argc UNUSED_PARAM, char **argv)
    {
        static const int magic[] = {
            RB_HALT_SYSTEM,
            RB_POWER_OFF,
            RB_AUTOBOOT
        };
        static const smallint signals[] = { SIGUSR1, SIGUSR2, SIGTERM };
     
        int delay = 0;
        int which, flags, rc;
     
        /* Figure out which applet we're running */
        for (which = 0; "hpr"[which] != applet_name[0]; which++)
            continue;
     
        /* Parse and handle arguments */
        opt_complementary = "d+"; /* -d N */
        /* We support -w even if !ENABLE_FEATURE_WTMP,
         * in order to not break scripts.
         * -i (shut down network interfaces) is ignored.
         */
        flags = getopt32(argv, "d:nfwi", &delay);
     
        sleep(delay);
     
        write_wtmp();
     
        if (flags & 8) /* -w */
            return EXIT_SUCCESS;
     
        if (!(flags & 2)) /* no -n */
            sync();
     
        /* Perform action. */
        rc = 1;
        if (!(flags & 4)) { /* no -f */
    //TODO: I tend to think that signalling linuxrc is wrong
    // pity original author didn't comment on it...
            if (ENABLE_FEATURE_INITRD) {
                /* talk to linuxrc */
                /* bbox init/linuxrc assumed */
                pid_t *pidlist = find_pid_by_name("linuxrc");
                if (pidlist[0] > 0)
                    rc = kill(pidlist[0], signals[which]);
                if (ENABLE_FEATURE_CLEAN_UP)
                    free(pidlist);
            }
            if (rc) {
                /* talk to init */
                if (!ENABLE_FEATURE_CALL_TELINIT) {
                    /* bbox init assumed */
                    rc = kill(1, signals[which]);
                } else {
                    /* SysV style init assumed */
                    /* runlevels:
                     * 0 == shutdown
                     * 6 == reboot */
                    execlp(CONFIG_TELINIT_PATH,
                            CONFIG_TELINIT_PATH,
                            which == 2 ? "6" : "0",
                            (char *)NULL
                    );
                    bb_perror_msg_and_die("can't execute '%s'",
                            CONFIG_TELINIT_PATH);
                }
            }
        } else {
            rc = reboot(magic[which]);
        }
     
        if (rc)
            bb_perror_nomsg_and_die();
        return rc;
    }

该函数判断reboot是否带了 -f 参数，如果带了，直接调用reboot调用C函数库

如果没带，则通过

kill(1, signals[which]);

给init进程发送SIGTERM信号。


2.init进程端

init进程初始化函数init_main将部分信号进行重定义

            bb_signals_recursive_norestart(0
                + (1 << SIGINT)  /* Ctrl-Alt-Del */
                + (1 << SIGQUIT) /* re-exec another init */
    #ifdef SIGPWR
                + (1 << SIGPWR)  /* halt */
    #endif
                + (1 << SIGUSR1) /* halt */
                + (1 << SIGTERM) /* reboot */
                + (1 << SIGUSR2) /* poweroff */
    #if ENABLE_FEATURE_USE_INITTAB
                + (1 << SIGHUP)  /* reread /etc/inittab */
    #endif
                , record_signo);


    void record_signo(int signo)
    {
        bb_got_signal = signo;
    }
     

将SIGUSR1(halt) SIGUSR2(poweroff) SIGTERM(reboot)信号存入全局变量bb_got_signal中。
在init_main的最后进入一个while(1)循环，不断检查信号和等待子进程的退出

其中check_delayed_sigs就是用来检查这个全局变量的，如下：

        while (1) {
            int maybe_WNOHANG;
     
            maybe_WNOHANG = check_delayed_sigs();
     
            /* (Re)run the respawn/askfirst stuff */
            run_actions(RESPAWN | ASKFIRST);
            maybe_WNOHANG |= check_delayed_sigs();
     
            /* Don't consume all CPU time - sleep a bit */
            sleep(1);
            maybe_WNOHANG |= check_delayed_sigs();
     
            /* Wait for any child process(es) to exit.
             *
             * If check_delayed_sigs above reported that a signal
             * was caught, wait will be nonblocking. This ensures
             * that if SIGHUP has reloaded inittab, respawn and askfirst
             * actions will not be delayed until next child death.
             */
            if (maybe_WNOHANG)
                maybe_WNOHANG = WNOHANG;
            while (1) {
                pid_t wpid;
                struct init_action *a;
     
                /* If signals happen _in_ the wait, they interrupt it,
                 * bb_signals_recursive_norestart set them up that way
                 */
                wpid = waitpid(-1, NULL, maybe_WNOHANG);
                if (wpid <= 0)
                    break;
     
                a = mark_terminated(wpid);
                if (a) {
                    message(L_LOG, "process '%s' (pid %d) exited. "
                            "Scheduling for restart.",
                            a->command, wpid);
                }
                /* See if anyone else is waiting to be reaped */
                maybe_WNOHANG = WNOHANG;
            }
        } /* while (1) */

而里面的while(1)一般会阻塞在waitpid中，那么信号检查是不是会有问题？

    WNOHANG        如果没有可用的子进程退出状态，立即返回而不是阻塞

但maybe_WNOHANG的值应该是0，不是WNOHANG(=1)感觉还是会阻塞。我这样理解的，因为所有的用户进程都是init进程的子进程，我判断前面执行reboot时也是一个子进程，halt_main发送完信号后就会退出，init接收到信号而且waitpid成功，然后跳出循环检查信号。

下面看一下信号的处理部分

    static int check_delayed_sigs(void)
    {
        int sigs_seen = 0;
     
        while (1) {
            smallint sig = bb_got_signal;
     
            if (!sig)
                return sigs_seen;
            bb_got_signal = 0;
            sigs_seen = 1;
    #if ENABLE_FEATURE_USE_INITTAB
            if (sig == SIGHUP)
                reload_inittab();
    #endif
            if (sig == SIGINT)
                run_actions(CTRLALTDEL);
            if (sig == SIGQUIT) {
                exec_restart_action();
                /* returns only if no restart action defined */
            }
            if ((1 << sig) & (0
    #ifdef SIGPWR
                + (1 << SIGPWR)
    #endif
                + (1 << SIGUSR1)
                + (1 << SIGUSR2)
                + (1 << SIGTERM)
            )) {
                halt_reboot_pwoff(sig);
            }
        }
    }

判断为SIGTERM进入halt_reboot_pwoff函数

    static void halt_reboot_pwoff(int sig)
    {
        const char *m;
        unsigned rb;
     
        /* We may call run() and it unmasks signals,
         * including the one masked inside this signal handler.
         * Testcase which would start multiple reboot scripts:
         *  while true; do reboot; done
         * Preventing it:
         */
        reset_sighandlers_and_unblock_sigs();
     
        run_shutdown_and_kill_processes();
     
        m = "halt";
        rb = RB_HALT_SYSTEM;
        if (sig == SIGTERM) {
            m = "reboot";
            rb = RB_AUTOBOOT;
        } else if (sig == SIGUSR2) {
            m = "poweroff";
            rb = RB_POWER_OFF;
        }
        message(L_CONSOLE, "Requesting system %s", m);
        pause_and_low_level_reboot(rb);
        /* not reached */
    }


reset_sighandlers_and_unblock_sigs函数将信号重置回默认处理。


    static void reset_sighandlers_and_unblock_sigs(void)
    {
        bb_signals(0
            + (1 << SIGUSR1)
            + (1 << SIGUSR2)
            + (1 << SIGTERM)
            + (1 << SIGQUIT)
            + (1 << SIGINT)
            + (1 << SIGHUP)
            + (1 << SIGTSTP)
            + (1 << SIGSTOP)
            , SIG_DFL);
        sigprocmask_allsigs(SIG_UNBLOCK);
    }

run_shutdown_and_kill_processes函数给所有进程发送SIGTERM信号并执行sync(保存数据)

延时后再次发送SIGKILL信号，这里说明一下为什么要发送SIGKILL信号，一般的SIGINT和SIGTERM信号都可以屏蔽或转作他用，SIGKILL信号是不可被屏蔽的，

这样告诉其他进程必须终止。

    static void run_shutdown_and_kill_processes(void)
    {
        /* Run everything to be run at "shutdown".  This is done _prior_
         * to killing everything, in case people wish to use scripts to
         * shut things down gracefully... */
        run_actions(SHUTDOWN);
     
        message(L_CONSOLE | L_LOG, "The system is going down NOW!");
     
        /* Send signals to every process _except_ pid 1 */
        kill(-1, SIGTERM);
        message(L_CONSOLE | L_LOG, "Sent SIG%s to all processes", "TERM");
        sync();
        sleep(1);
     
        kill(-1, SIGKILL);
        message(L_CONSOLE, "Sent SIG%s to all processes", "KILL");
        sync();
        /*sleep(1); - callers take care about making a pause */
    }

最终进入函数pause_and_low_level_reboot，起一个轻量级进程执行reboot标准C函数

    static void pause_and_low_level_reboot(unsigned magic)
    {
        pid_t pid;
     
        /* Allow time for last message to reach serial console, etc */
        sleep(1);
     
        /* We have to fork here, since the kernel calls do_exit(EXIT_SUCCESS)
         * in linux/kernel/sys.c, which can cause the machine to panic when
         * the init process exits... */
        pid = vfork();
        if (pid == 0) { /* child */
            reboot(magic);
            _exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        while (1)
            sleep(1);
    }

到这里busybox里面的内容全部处理完。


3.标准C函数reboot
前面执行reboot -f 就是直接执行的这个函数

reboot函数比较简单，直接进行系统调用进入内核。（0xffe1dead  feeldead这个魔术还是比较有意思的）

其中参数howto为RB_AUTOBOOT=0x01234567

sysdeps/unix/sysv/linux/reboot.c

    int
    reboot (int howto)
    {
      return INLINE_SYSCALL (reboot, 3, (int) 0xfee1dead, 672274793, howto);
    }


4.内核系统调用

kernel/sys.c

    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_CAD_ON:
            C_A_D = 1;
            break;
     
        case LINUX_REBOOT_CMD_CAD_OFF:
            C_A_D = 0;
            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;
    }

进入

case LINUX_REBOOT_CMD_RESTART:
kernel_restart(NULL);
break;
调用kernel_restart函数

——>machine_restart

    void machine_restart(char *cmd)
    {
        machine_shutdown();
        if (ppc_md.restart)
            ppc_md.restart(cmd);
    #ifdef CONFIG_SMP
        smp_send_stop();
    #endif
        printk(KERN_EMERG "System Halted, OK to turn off power\n");
        local_irq_disable();
        while (1) ;
    }

这个函数之后就与具体的架构有关系了。

下面是powerpc P1020芯片的复位

ppc_md.restart(cmd);的函数原型在/arch/powerpc/platforms/85xx中定义

    define_machine(p2020_rdb_pc) {
        .name            = "P2020RDB-PC",
        .probe            = p2020_rdb_pc_probe,
        .setup_arch        = mpc85xx_rdb_setup_arch,
        .init_IRQ        = mpc85xx_rdb_pic_init,
    #ifdef CONFIG_PCI
        .pcibios_fixup_bus    = fsl_pcibios_fixup_bus,
    #endif
        .get_irq        = mpic_get_irq,
        .restart        = fsl_rstcr_restart,
        .calibrate_decr        = generic_calibrate_decr,
        .progress        = udbg_progress,
    };


    void fsl_rstcr_restart(char *cmd)
    {
        local_irq_disable();
        if (rstcr)
            /* set reset control register */
            out_be32(rstcr, 0x2);    /* HRESET_REQ */
     
        while (1) ;
    }

最终cpu往寄存器Reset control register（0x000E_00B0）中写2

也就是往管脚HRESET_REQ发出了一个信号，该信号应该与HRESET硬复位管脚相连

这样就实现了CPU的复位