Linux关机重启停机(shutdown reboot halt)流程分析

由于本人水平相当有限，不当之处还望大家多多指教。

涉及的内核源码，基于linux-3.10.102。

首先，对于用户态发起的这类操作请求，最终都是通过sys_reboot系统调用（源码在kernel/sys.c）实现的。

其代码如下。如其注释所言，他除了可以重启关机停机，还可以修改ctrl-alt-del组合键的含义。

另外，注释还说到此系统调用不会做sync。即sync需要用户在调用此系统调用之前自己完成。

/* * Reboot system call: for obvious reasons only root may call it, * and even root needs to set up some magic numbers in the registers * so that some mistake won't make this reboot the whole machine. * You can also set the meaning of the ctrl-alt-del-key here. * * reboot doesn't sync: do that yourself before calling this. */SYSCALL_DEFINE4(reboot, int, magic1, int, magic2, unsigned int, cmd,void __user *, arg){struct pid_namespace *pid_ns = task_active_pid_ns(current);char buffer[256];int ret = 0;/* We only trust the superuser with rebooting the system. */if (!ns_capable(pid_ns->user_ns, CAP_SYS_BOOT))return -EPERM;/* For safety, we require "magic" arguments. */if (magic1 != LINUX_REBOOT_MAGIC1 ||    (magic2 != LINUX_REBOOT_MAGIC2 &&                magic2 != LINUX_REBOOT_MAGIC2A &&magic2 != LINUX_REBOOT_MAGIC2B &&                magic2 != LINUX_REBOOT_MAGIC2C))return -EINVAL;/* * If pid namespaces are enabled and the current task is in a child * pid_namespace, the command is handled by reboot_pid_ns() which will * call do_exit(). */ret = reboot_pid_ns(pid_ns, cmd);if (ret)return ret;/* Instead of trying to make the power_off code look like * halt when pm_power_off is not set do it the easy way. */if ((cmd == LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF) && !pm_power_off)cmd = LINUX_REBOOT_CMD_HALT;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;case LINUX_REBOOT_CMD_RESTART2:if (strncpy_from_user(&buffer[0], arg, sizeof(buffer) - 1) < 0) {ret = -EFAULT;break;}buffer[sizeof(buffer) - 1] = '\0';kernel_restart(buffer);break;#ifdef CONFIG_KEXECcase LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC:ret = kernel_kexec();break;#endif#ifdef CONFIG_HIBERNATIONcase LINUX_REBOOT_CMD_SW_SUSPEND:ret = hibernate();break;#endifdefault:ret = -EINVAL;break;}mutex_unlock(&reboot_mutex);return ret;}

从上述代码来看，相关的操作分别是由函数kernel_restart, kernel_power_off, kernel_halt完成的。

另外，对于修改ctrl-alt-del组合键含义的操作(LINUX_REBOOT_CMD_CAD_ON和LINUX_REBOOT_CMD_CAD_OFF)，

内核只是简单修改一下变量C_A_D的值，然后就返回了。

而kernel_restart, kernel_power_off, kernel_halt这几个函数的实现也很相似：

先是通知reboot_notifier_list中的模块，系统要重启了。

然后将调用此系统调用的线程迁移到CPU 0上面。

然后执行syscore_ops_list中的各种关机操作。

最后，将系统转入restart/halt/power_off流程。

再看看用户态触发sys_reboot系统调用的C库函数reboot（man 2 reboot）的说明，对于重启关机停机类的操作，其中全都提到If not preceded by a sync(2), data will be lost.。可见，如果在调用reboot库函数前，没有调用sync(2)，会导致未保存的文件数据丢失。

同时，说明中还提到对于成功的关机重启停止操作，reboot函数将不会返回。

通常，比较完善的关机重启停机流程，是通过用户态工具reboot实现的。

如果查看此工具的帮助，会发现一共有3个工具，分别是reboot, halt, poweroff。

但他们实际上对应于同一个可执行程序/sbin/reboot。

[root@localhost ~]# ls -l /sbin/reboot -rwxr-xr-x. 1 root root 13932 Jun 25  2013 /sbin/reboot[root@localhost ~]# ls -l /sbin/halt lrwxrwxrwx. 1 root root 6 Aug  7  2016 /sbin/halt -> reboot[root@localhost ~]# ls -l /sbin/poweroff lrwxrwxrwx. 1 root root 6 Aug  7  2016 /sbin/poweroff -> reboot

这三个工具，分别实现他们的名字对应的功能。

如果使用时，加了--force选项，则他们将直接调用C库函数reboot。这会导致未保存的文件数据丢失。

如果未加--force，则他们会执行用户态工具shutdown。由此可见，完善的操作流程是由shutdown程序完成的。

shutdown具体是如何组织流程的，可以参考其手册页 （man 8  shutdown）。

实际上，主要工作是shutdown向init进程发起了一个改变系统运行级别(runlevel)的请求，然后由init进程将系统降到相应的运行级别。

最后，感觉sys_reboot似乎并没有对可能存在着的大量的用户态进程进行妥善处理。而且他的注释也说明了，需要用户自己调用sync保存数据。

sys_reboot只管重启关机停机。

因此，完善的结束用户态的所有上下文的任务，就留给了用户态自己。而从前面的分析来看，正常的流程，最终就是init进程负责清空所有的用户态上下文。

这样一来，内核与用户态的关系就极其简单清晰。内核就是以系统调用为界面，为用户提供服务。用户空间的各种复杂关系，是用户空间自己的事。

系统启动时，内核在后期，拉起init进程。然后init进程通过各种系统调用，建立起用户态的一切。

最后系统正常关闭时，同样由init进程通过各种系统调用，清空用户态的一切，最后通过sys_reboot关闭系统。

当然，对于非正常关机，例如某个进程直接触发了sys_reboot，那么用户态的上下文就没有妥善结束，因此就可能丢失未保存的数据。

最后，再额外提一下，内核自身(例如，软件看门狗)在紧急情况下，想重启系统，可能会通过直接调用emergency_restart函数来实现。

下面是其代码

/** *emergency_restart - reboot the system * *Without shutting down any hardware or taking any locks *reboot the system.  This is called when we know we are in *trouble so this is our best effort to reboot.  This is *safe to call in interrupt context. */void emergency_restart(void){kmsg_dump(KMSG_DUMP_EMERG);machine_emergency_restart();}EXPORT_SYMBOL_GPL(emergency_restart);void machine_emergency_restart(void){__machine_emergency_restart(1);}static void __machine_emergency_restart(int emergency){reboot_emergency = emergency;machine_ops.emergency_restart();}