[快速笔记] Linker Script 与 vmlinux.lds

前言

内核 bringup 有些地方没看懂，也没打算看得有多懂。起码基本的语法要了解一下吧

基本背景

链接脚本（Linker Script）可用于定制链接过程，我认为最重要的还是它可以描述一个二进制程序的内存布局，这个二进制程序自然也包括内核映像（kernel image）

ENTRY

ENTRY 描述一个程序的入口。在 x86-64 环境下，vmlinux.lds.S 中定义入口为 phys_startup_64

#ifdef CONFIG_X86_32
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(phys_startup_32)
#else
OUTPUT_ARCH(i386:x86-64)
ENTRY(phys_startup_64)
#endif

实际上，Linux 内核的入口应为 startup_64，但这是一个虚拟地址上的符号，而 phys_startup_64 则是 startup_64 对应的物理地址，也就是说它们在数值意义上相差一个 LOAD_OFFSET

phys_startup_64 = ABSOLUTE(startup_64 - LOAD_OFFSET);

// ...
#ifdef CONFIG_X86_32
#define LOAD_OFFSET __PAGE_OFFSET
#else
#define LOAD_OFFSET __START_KERNEL_map
#endif

// arch/x86/include/asm/page_64_types.h
#define __START_KERNEL_map      _AC(0xffffffff80000000, UL)

也可以直接在编译好的 vmlinux 上查找对应符号，验证如下：

$ nm vmlinux | grep -w startup_64
ffffffff81000000 T startup_64

$ nm vmlinux | grep -w phys_startup_64
0000000001000000 A phys_startup_64

$ readelf -h vmlinux | grep Entry
  Entry point address:               0x1000000

PHDRS

PHDRS 描述各 segment 的具体布局。segment 即使不做声明，linker 也会帮你处理好，除非你需要精确控制每一个布局（既然用到脚本，那么大概率需要精确控制）。语法如下：

PHDRS
{
  name type [ FILEHDR ] [ PHDRS ] [ AT ( address ) ]
        [ FLAGS ( flags ) ] ;
}

其中，name 仅用做 SECTIONS 命令（后面再介绍）下的引用，并不存在于实际文件中；type 和 flags 自行参考 ELF 相关文档；FILEHDR 和 PHDRS 并没有在内核中使用到，仅做点搬运：The FILEHDR keyword means that the segment should include the ELF file header. The PHDRS keyword means that the segment should include the ELF program headers themselves. If applied to a loadable segment (PT_LOAD), all prior loadable segments must have one of these keywords.

内核实际的布局如下：

PHDRS {
        text PT_LOAD FLAGS(5);          /* R_E */
        data PT_LOAD FLAGS(6);          /* RW_ */
#ifdef CONFIG_X86_64
#ifdef CONFIG_SMP
        percpu PT_LOAD FLAGS(6);        /* RW_ */
#endif
        init PT_LOAD FLAGS(7);          /* RWE */
#endif
        note PT_NOTE FLAGS(0);          /* ___ */
}

验证如下：

$ objdump -p vmlinux

vmlinux:     file format elf64-x86-64

Program Header:
    LOAD off    0x0000000000200000 vaddr 0xffffffff81000000 paddr 0x0000000001000000 align 2**21
         filesz 0x00000000018603a0 memsz 0x00000000018603a0 flags r-x
    LOAD off    0x0000000001c00000 vaddr 0xffffffff82a00000 paddr 0x0000000002a00000 align 2**21
         filesz 0x0000000000932000 memsz 0x0000000000932000 flags rw-
    LOAD off    0x0000000002600000 vaddr 0x0000000000000000 paddr 0x0000000003332000 align 2**21
         filesz 0x000000000002c8a8 memsz 0x000000000002c8a8 flags rw-
    LOAD off    0x000000000275f000 vaddr 0xffffffff8335f000 paddr 0x000000000335f000 align 2**21
         filesz 0x000000000028e000 memsz 0x00000000004d1000 flags rwx
    NOTE off    0x0000000001a6034c vaddr 0xffffffff8286034c paddr 0x000000000286034c align 2**2
         filesz 0x0000000000000054 memsz 0x0000000000000054 flags ---

SECTIONS

SECTIONS 描述各[output] section 的具体布局，即链接时确定 input section 到 output section 的映射关系

内核的实际布局非常长，仅截取开头部分，边看边学：

SECTIONS
{
#ifdef CONFIG_X86_32
        . = LOAD_OFFSET + LOAD_PHYSICAL_ADDR;
        phys_startup_32 = ABSOLUTE(startup_32 - LOAD_OFFSET);
#else
        . = __START_KERNEL;
        phys_startup_64 = ABSOLUTE(startup_64 - LOAD_OFFSET);
#endif

        /* Text and read-only data */
        .text :  AT(ADDR(.text) - LOAD_OFFSET) {
                _text = .;
                _stext = .;
                /* bootstrapping code */
                HEAD_TEXT
                TEXT_TEXT
                SCHED_TEXT
                LOCK_TEXT
                KPROBES_TEXT
                SOFTIRQENTRY_TEXT
#ifdef CONFIG_RETPOLINE
                __indirect_thunk_start = .;
                *(.text.__x86.*)
                __indirect_thunk_end = .;
#endif
                STATIC_CALL_TEXT

                ALIGN_ENTRY_TEXT_BEGIN
                ENTRY_TEXT
                ALIGN_ENTRY_TEXT_END
                *(.gnu.warning)

        } :text =0xcccc

        /* End of text section, which should occupy whole number of pages */
        _etext = .;
        . = ALIGN(PAGE_SIZE);

        X86_ALIGN_RODATA_BEGIN
        RO_DATA(PAGE_SIZE)
        X86_ALIGN_RODATA_END

        /* Data */
        .data : AT(ADDR(.data) - LOAD_OFFSET) {
                /* Start of data section */
                _sdata = .;

                /* init_task */
                INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)

        /* ... */

关键字 . 是一个位置计数器（location counter），基本能放在 SECTIONS 内任何（一般符号也能放的）地方，而这个计数器是可赋值的，可以通过这种操作来调整 section 的偏移量：

比如这里起始设置了 . = __START_KERNEL，使得位置计数器发生移动，那么 .text 的地址就起始于 __START_KERNEL
反过来，_text = . 的赋值操作就是定义一个地址在当前 . 的 _text 符号
更多操作可以看这里

顺手提一下 __START_KERNEL，代码如下：
#define __START_KERNEL          (__START_KERNEL_map + __PHYSICAL_START)

#define __START_KERNEL_map      _AC(0xffffffff80000000, UL)
#define __PHYSICAL_START        ALIGN(CONFIG_PHYSICAL_START, \
                                      CONFIG_PHYSICAL_ALIGN)

// kconfig
config PHYSICAL_START
      hex "Physical address where the kernel is loaded" if (EXPERT || CRASH_DUMP)
      default "0x1000000"
      help
        This gives the physical address where the kernel is loaded.
        ...
也就是说 __START_KERNEL 对应于内核加载时的起始虚拟地址 0xffffffff81000000，PHYSICAL_START 确定内核加载时的起始地址 0x1000000（详情见这里，还需要考虑 CONFIG_RELOCATABLE）

关键字 AT 指定 LMA 加载地址（前面的 . 是 VMA 虚拟地址），语法层面上是可选项。如前面所示，内核直接映射的物理地址与虚拟地址相差 LOAD_OFFSET，不再赘述

关键字 * 是一个通配符，用于匹配任何文件名。也就是说 *(.gnu.warning) 表示所有文件中的所有 .gnu.warning 输入节（input section）

:text 表明 .text 会被加载到特定的 segment 即 text 中；=0xcccc 指如果 section 内部存在空洞，则使用魔数 0xcccc 填充。最近有 patch 改成了 0xcccccccc，见参考链接

关键字 KEEP 用于保留指定的 section，即使内部没有任何符号。这个没有在上述代码有直接体现，但是有大量的大写符号是内核设置的宏，比如 HEAD_TEXT 宏展开后其实是 KEEP(*(.head.text))。为什么保留我不太关心，知道 .text 包含 .head.text 就好了，这也确定了启动代码始于 startup_64