Linux Kernel 4.4 `printk` 源码分析与使用详解

参考资料 ：百问网 - UART子系统
Kernel版本：Linux 4.4.154
开发板：Firefly-RK3288
关键文件 ：kernel/printk/printk.c, include/linux/kern_levels.h

一、printk 的基本使用与打印级别

调试内核驱动最简单的方法就是使用 printk 函数。它与用户空间的 printf 格式类似，但多了一个**日志级别（Log Level）**的概念。

1.1 printk 使用示例

在驱动程序中，我们通常这样调用：

c 复制代码

printk("This is an example\n");                 // 未指定级别，使用默认级别
printk(KERN_WARNING "This is an example\n");    // 指定为 WARNING 级别

底层原理 ：
printk 实际上支持在字符串头部加入 \001n 格式的字符来指定级别（n 为 0~7）。KERN_WARNING 等宏本质上就是这个字符串前缀。

c 复制代码

/* include/linux/kern_levels.h */
#define KERN_SOH	    "\001"		/* ASCII Start Of Header */
#define KERN_WARNING	KERN_SOH "4"	/* warning conditions */

1.2 打印级别定义

Linux 内核定义了 8 个打印级别（数值越小，优先级越高）：

宏名称	字符串	说明
`KERN_EMERG`	"0"	系统不可用 (System is unusable)
`KERN_ALERT`	"1"	必须立即采取行动 (Action must be taken immediately)
`KERN_CRIT`	"2"	临界条件 (Critical conditions)
`KERN_ERR`	"3"	错误条件 (Error conditions)
`KERN_WARNING`	"4"	警告条件 (Warning conditions)
`KERN_NOTICE`	"5"	正常但重要的情况
`KERN_INFO`	"6"	信息性消息
`KERN_DEBUG`	"7"	调试级别消息

1.3 控制台打印控制（核心宏）

在 include/linux/kernel.h (实际上数据定义在 kernel/printk/printk.c) 中，有四个核心宏决定了消息是否会打印到硬件控制台上。

c 复制代码

#define console_loglevel         (console_printk[0])
#define default_message_loglevel (console_printk[1])
#define minimum_console_loglevel (console_printk[2])
#define default_console_loglevel (console_printk[3])

它们对应的数组定义如下：

c 复制代码

/* kernel/printk/printk.c */
int console_printk[4] = {
	CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* console_loglevel */
	MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* default_message_loglevel */
	CONSOLE_LOGLEVEL_MIN,		/* minimum_console_loglevel */
	CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT,	/* default_console_loglevel */
};

详细解释：

console_loglevel (当前控制台级别)
- 作用：这是决定打印与否的"门槛"。
- 规则：只有 消息级别 < console_loglevel 时，消息才会显示在终端上。
- 示例：若设为 4，则只有 0~3 级的消息会显示。
default_message_loglevel (默认消息级别)
- 作用：当 printk("msg") 没有指定级别宏时，赋予该消息的默认级别。
- 注意：通常默认为 KERN_WARNING (4)。
minimum_console_loglevel
- 作用：安全底线，防止用户把 console_loglevel 设得太低导致连 Panic 都看不见。通常为 1。
default_console_loglevel
- 作用：系统启动时的初始 console_loglevel。

1.4 在用户空间修改打印级别

我们可以通过 /proc 文件系统动态查看和修改这 4 个值，无需重新编译内核。

查看当前值：

bash 复制代码

cat /proc/sys/kernel/printk
# 输出示例: 4 4 1 7

这意味着当前只有级别 0~3 的消息会打印。

修改示例：打开所有调试信息

如果你想看到 KERN_DEBUG 信息，需要将第一个值设为 8（因为 7 < 8）：

bash 复制代码

echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
# 或者一次性设置4个值
echo "8 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk

二、printk 的整体架构与数据流

理解 printk 最好的方式是跟踪数据流向。

(图源：百问网)

我们可以将上图分为四个阶段：

第一阶段：源头（驱动层）

驱动调用 printk。
如果未指定级别，内核自动补上 default_message_loglevel。

第二阶段：缓存（内核 Buffer 层）

格式化 ：内核将消息封装结构体（包含长度 .len、级别 .level、内容 "abc"）。
存入 log_buf：这是全局环形缓冲区。
关键点 ：无论级别高低，所有 printk 的内容都会存入 log_buf。这也是为什么 dmesg 命令能看到所有历史日志的原因。

第三阶段：分发与过滤（Console 驱动层）

数据从 log_buf 取出。
过滤判断 ：在此处进行 if (level < console_loglevel) 的判断。
如果不满足条件，流程终止（只存不打）。
如果满足条件，调用具体驱动的 write 函数。

第四阶段：物理输出（硬件层）

Console 驱动 ：如 ttyS0 (串口) 或 tty0 (屏幕)。
调用底层的 UART 寄存器操作将字符发送出去。

三、Kernel 4.4 源码深度剖析

让我们深入 kernel/printk/printk.c 看看这一切是如何实现的。

3.1 入口函数 `printk`

c 复制代码

/* kernel/printk/printk.c */
asmlinkage __visible int printk(const char *fmt, ...)
{
	printk_func_t vprintk_func;
	va_list args;
	int r;

	va_start(args, fmt);
    // 获取当前CPU的打印函数指针
	vprintk_func = this_cpu_read(printk_func);
	r = vprintk_func(fmt, args);
	va_end(args);

	return r;
}
EXPORT_SYMBOL(printk);

3.2 为什么使用函数指针 `vprintk_func`？

这里涉及到一个设计细节：防止 NMI（不可屏蔽中断）死锁。

默认情况下，printk_func 指向 vprintk_default。
场景：如果系统正在打印（持有锁）时发生 NMI，NMI 处理程序如果也调用 printk，尝试获取同一个锁，就会导致死锁。
机制：在 NMI 上下文中，内核会将该指针临时切换为 vprintk_nmi，将数据写入临时的 NMI 安全缓冲区，从而避免死锁。

3.3 核心处理 `vprintk_emit`

vprintk_default 最终会调用 vprintk_emit，这是核心大管家。

c 复制代码

asmlinkage int vprintk_emit(int facility, int level, ...)
{
    // 1. 将数据写入 log_buf (Ring Buffer)
    // 无论级别如何，先存下来！
	printed_len += log_store(0, 2, LOG_PREFIX|LOG_NEWLINE, 0, NULL, 0, text, text_len);

    // 2. 尝试唤醒控制台驱动进行输出
	if (!in_sched) {
		// 获取 console 信号量/锁
		if (console_trylock_for_printk())
			console_unlock(); // 重点在这里
	}
	return printed_len;
}

3.4 消费与输出 `console_unlock`

数据存好了，现在要发给硬件。这个工作由 console_unlock 完成。它是一个循环，不断从 log_buf 取数据。

c 复制代码

void console_unlock(void)
{
    for (;;) {
        // ... 从 log_buf 读取一条 msg ...
        
        // 格式化消息
        len += msg_print_text(msg, ...);

        // ... 释放 logbuf_lock (允许并发写 buffer) ...

        // 调用驱动发送数据
        // 注意：这里传入了 msg->level
        call_console_drivers(level, ext_text, ext_len, text, len);
    }
}

3.5 真正的过滤逻辑 `call_console_drivers`

在 Linux 4.4 中，打印级别的判断逻辑被封装在 call_console_drivers 内部。

c 复制代码

static void call_console_drivers(int level, const char *text, size_t len, ...)
{
    // --- 核心过滤逻辑 ---
    // 如果 消息级别 >= console_loglevel，且没有强制忽略级别
    // 则直接返回，不进行硬件操作。
#ifndef CON_PSTORE
	if (level >= console_loglevel && !ignore_loglevel)
		return;
#endif

    // 遍历所有 console (如串口、屏幕)
	for_each_console(con) {
		if (con->write)
			con->write(con, text, len); // 最终操作硬件
	}
}

总结执行链：
printk -> vprintk_emit -> log_store (存入内存) -> console_unlock -> call_console_drivers (检查级别) -> uart_console_write (硬件输出)。

四、硬件选择：内核怎么知道往哪打？

内核可能有多个输出设备（VGA、串口、网络），它通过 console 参数来决定。

4.1 命令行参数 (cmdline)

在系统启动日志或 /proc/cmdline 中可以看到：

bash 复制代码

cat /proc/cmdline
# 输出: ... console=ttyFIQ0 ...

这表示内核选择名为 ttyFIQ0 的设备作为控制台。

4.2 参数来源

这些参数通常来自 Device Tree (设备树) 的 chosen 节点，或者由 U-Boot 动态传递。

设备树示例：

dts 复制代码

/ {
	chosen {
        bootargs = "console=ttymxc1,115200";
    };
};

U-Boot 环境变量示例 (IMX6ULL)：

bash 复制代码

=> print console
console=ttymxc0
=> print mmcargs
mmcargs=setenv bootargs console=${console},${baudrate} ...

五、总结

Printk 级别 ：由 console_loglevel 控制，数值越小优先级越高。
动态调试 ：通过 /proc/sys/kernel/printk 可以实时修改过滤规则。
核心机制 ：
- 先存：所有日志无条件存入 log_buf (dmesg 可见)。
- 后显：只有满足 level < console_loglevel 的日志才会推送到串口。
源码路径 ：Linux 4.4 中，主要逻辑在 kernel/printk/printk.c，过滤逻辑位于 call_console_drivers。

Linux Kernel 4.4 `printk` 源码分析与使用详解