Linux编程中C函数定义的第一行中出现的关键字“__init”是什么意思？

问题提出

在驱动程序模块的编写中，常常会在初始化函数的第一行中加上关键字“__init”，请问“__init”是什么意思？
比如下面的代码：

static int __init led_init(void) {
    // 初始化代码：注册设备、分配资源等
    return 0;
}

module_init(led_init);

详细解释

__init 的作用

在 Linux 内核代码中，__init 是一个宏，用于标记初始化函数的代码段。这是一种内核的优化方式，旨在减少内核的内存占用。

---

__init 的功能

1. 标记初始化代码:

   • 内核会将带有 __init 标记的代码放入一个特殊的内存区（.init.text 段）。
   • 这段内存在初始化完成后（通常是模块加载完成或内核启动完成后）会被释放，节省内存。

2. 仅在初始化时执行:

   • 这些代码通常只需要在模块加载或系统启动时运行一次。
   • 运行结束后，它们不会再被调用。

---

使用 __init 的场景

1. 模块初始化函数:

   • 像例子中的 led_init，是模块加载时的入口函数，只需要运行一次，因此使用 __init 标记。
   • 例如：

     static int __init led_init(void) {
         // 初始化代码
         return 0;
     }
     module_init(led_init);
     

2. 内核启动时的初始化代码:

   • 一些驱动程序或内核功能在启动时需要初始化，完成后可以释放相关的代码段。

---

内核如何处理 __init

1. 编译时:

   • 编译器将标记为 __init 的代码放入 .init.text 段，而不是普通的代码段。

2. 运行时:

   • 内核在启动或模块初始化时执行这些代码。
   • 一旦初始化完成，内核会释放 .init.text 段所占用的内存。

---

为什么要使用 __init？

1. 节省内存:

   • Linux 内核运行在多种硬件上，包括资源受限的嵌入式设备。
   • 释放不再使用的初始化代码可以显著节省内存。

2. 优化内核空间:

   • Linux 内核运行在内核态，所有代码和数据都必须驻留在内存中。
   • __init 可以减少不必要的代码驻留。

---

不使用 __init 的后果

• 如果初始化函数没有用 __init 标记，即使在完成初始化后，相关代码仍然会占用内存，直到模块被卸载或系统重启。
• 在嵌入式系统中，内存资源宝贵，未释放的初始化代码可能会影响系统性能。

---

与 __init 相关的宏

1. __initdata:

   • 用于标记初始化数据。
   • 初始化完成后，数据段会被释放。
   • 例如：

     static int __initdata my_init_data = 42;
     

2. __exit:

   • 标记模块的退出函数。
   • 只有在支持动态加载模块的情况下，这些代码才会被编译和保留；否则会被忽略。
   • 例如：

     static void __exit led_exit(void) {
         // 退出代码
     }
     module_exit(led_exit);
     

3. __exitdata:

   • 标记仅用于模块卸载时的数据。

---

例子分析

以下代码片段是模块的初始化函数，用 __init 优化内存：

static int __init led_init(void) {
    // 初始化代码：注册设备、分配资源等
    return 0;
}
module_init(led_init);

• 工作原理:
  1. 当模块加载时，led_init 函数被调用。
  2. 由于函数被标记为 __init，它会被放入 .init.text 段。
  3. 加载完成后，.init.text 段会被释放，led_init 所占的内存被回收。

---

小结

__init 是 Linux 内核中的一个优化工具，用于标记初始化代码段。它的主要目的是节省内存和提升内核性能。在开发驱动程序或内核模块时，如果某些代码仅在初始化阶段需要运行，建议加上 __init 标记。

问：这样做符合C语言的语法规范吗？

答：它其实并不符合C语言的标准语法，但符合 C 语言的扩展语法规则，通过 GCC 编译器的扩展功能实现。

__init 的本质

__init 是一个宏，定义在 Linux 内核的头文件中（通常是 <linux/init.h>）。它的作用是通过 GCC 的编译器属性（attributes）将函数标记为特定的段（section）。这是一种扩展功能，超出了标准 C 的范围，但完全符合 GCC 支持的 C 语言扩展。

在 <linux/init.h> 中，__init 的定义类似于：

#define __init __section(.init.text)

• __section 是另一个宏，用来指定代码的存储段。
• .init.text 是内核专门为初始化代码保留的段。

当编译器看到函数前有 __init 时，会将该函数放入 .init.text 段，而不是普通的代码段。

---

为什么符合 C 语言规范？

在标准 C 中，函数定义的语法是：

[存储类修饰符] 返回类型 函数名(参数列表) { 函数体 }

• __init 在展开后并不会改变函数定义的基本形式，只是通过编译器扩展为函数添加了属性。
• 使用 GCC 时，这种属性是完全合法的，并且是内核代码中常见的写法。

例如：
展开后的代码实际是：

static int __attribute__((section(".init.text"))) led_init(void) {
    // 初始化代码
    return 0;
}

这是 GCC 支持的标准扩展语法，并没有违反 C 语言的规则。

---

在非 GCC 编译器中会发生什么？

如果在非 GCC 或不支持 __section 扩展的编译器上使用，可能会出现以下情况：

1. 编译失败:
   编译器无法识别 __init，会报语法错误。

2. 需要适配:
   在这种情况下，可以通过条件编译避免问题。例如：

   #ifdef __GNUC__
   #define __init __section(.init.text)
   #else
   #define __init
   #endif
   

---

__init 的实际用途

1. 将函数放到 .init.text 段。
2. 初始化完成后释放 .init.text 段的内存，节省资源。

---

小结

虽然 __init 不是标准 C 的一部分，但它通过 GCC 的扩展功能实现，符合 C 语言的扩展语法规则。因此，它在 Linux 内核开发中是合法且常用的。使用 __init 不会改变函数定义的规范性，只是为函数添加了段属性，便于内核在运行时进行内存管理优化。