Linux内核之旅

内核模块是Linux内核向外部提供的一个插口，其全称为动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），我们简称为模块。Linux内核之所以提供模块机制，是因为它本身是一个单内核（monolithic kernel）。单内核的最大优点是效率高，因为所有的内容都集成在一起，但其缺点是可扩展性和可维护性相对较差，模块机制就是为了弥补这一缺陷。

一、 什么是模块

模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或其他内核上层的功能。

二、 编写一个简单的模块

模块和内核都在内核空间运行，模块编程在一定意义上说就是内核编程。因为内核版本的每次变化，其中的某些函数名也会相应地发生变化，因此模块编程与内核版本密切相关。以下例子针对2.6内核

1．程序举例

hellomod.c

// hello world driver for Linux 2.6
 #include <linux/module.h>
 #include <linux/kernel.h>
 #include <linux/init.h>
/* 必要的头文件*/


static int __init lkp_init( void )
{
printk(“<1>Hello,World! from the kernel space…\n”);
return 0;
}


static void __exit lkp_cleanup( void )
{
printk(“<1>Goodbye, World! leaving kernel space…\n”);
 
}
 module_init(lkp_init);
 module_exit(lkp_cleanup);
 MODULE_LICENSE(“GPL”);

．说明
第4行：
所有模块都要使用头文件module.h，此文件必须包含进来。
第5行：
头文件kernel.h包含了常用的内核函数。
第6行：
头文件init.h包含了宏_init和_exit，它们允许释放内核占用的内存。
建议浏览一下该文件中的代码和注释。
第9-12行：
这是模块的初始化函数，它必需包含诸如要编译的代码、初始化数据结构等内容。
第11行使用了printk()函数，该函数是由内核定义的，功能与C库中的printf()类似，
它把要打印的信息输出到终端或系统日志。字符串中的<1>是输出的级别，
表示立即在终端输出。
第15-18行：
这是模块的退出和清理函数。此处可以做所有终止该驱动程序时相关的清理工作。
第20行：
这是驱动程序初始化的入口点。对于内置模块，内核在引导时调用该入口点；
对于可加载模块则在该模块插入内核时才调用。
第21行：
对于可加载模块，内核在此处调用module_cleanup（）函数，而对于内置的模块，
它什么都不做。
第22行：
提示可能没有GNU公共许可证。有几个宏是在2.4版的内核中才开发的（详情参见modules.h）。

函数module_init()和cleanup_exit()是模块编程中最基本也是必须的两个函数。
module_init()向内核注册模块所提供的新功能，
而cleanup_exit()注销由模块提供的所有功能。

模块编程属于内核编程，因此，除了对内核相关知识有所了解外，还需要了解与模块相关的知识。

1．应用程序与内核模块的比较
为了加深对内核模块的了解，表一给出应用程序与内核模块程序的比较。
表一 应用程序与内核模块程序的比较

	C语言应用程序	内核模块程序
使用函数	Libc库	内核函数
运行空间	用户空间	内核空间
运行权限	普通用户	超级用户
入口函数	main()	module_init()
出口函数	exit()	module_exit()
编译	Gcc –c	Makefile
连接	Gcc	insmod
运行	直接运行	insmod
调试	Gdb	kdbug, kdb,kgdb等

从表一我们可以看出，内核模块程序不能调用libc库中的函数，它运行在内核空间，且只有超级用户可以对其运行。另外，模块程序必须通过module_init()和module-exit()函数来告诉内核“我来了”和“我走了”。

2．内核符号表（如果对以下第2~4点理解上有困难，可以越过）

如 前所述，Linux内核是一个整体结构，像一个圆球，而模块是插入到内核中的插件。尽管内核不是一个可安装模块，但为了方便起见，Linux把内核也看作 一个“母”模块。那么模块与模块之间如何进行交互呢，一种常用的方法就是共享变量和函数。但并不是模块中的每个变量和函数都能被共享，内核只把各个模块中 主要的变量和函数放在一个特定的区段，这些变量和函数就统称为符号。到低哪些符号可以被共享？ Linux内核有自己的规定。对于内核这个特殊的母模块，在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号，例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下：

/* 进程管理 */

EXPORT_SYMBOL(do_mmap_pgoff);

EXPORT_SYMBOL(do_munmap);

EXPORT_SYMBOL(do_brk);

EXPORT_SYMBOL(exit_mm);

…

EXPORT_SYMBOL(schedule);

EXPORT_SYMBOL(jiffies);

EXPORT_SYMBOL(xtime);

…

你可能对这些变量和函数已经很熟悉。其中宏定义EXPORT_SYMBOL（）本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢？因为这些符号本来是内核内部的符号，通过这个宏放在一个公开的地方，使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。

实际上，仅仅知道这些符号的名字是不够的，还得知道它们在内核地址空间中的地址才有意义。因此，内核中定义了如下结构来描述模块的符号：

struct module_symbol

{

unsigned long value; ／*符号在内核地址空间中的地址*/

const char *name; /*符号名*/

};

我们可以从/proc/ksyms文件中读取所有内核模块“移出”的符号，这所有符号就形成内核符号表，其格式如下：

内存地址 符号名 ［所属模块］

在模块编程中，可以根据符号名从这个文件中检索出其对应的地址，然后直接访问该地址从而获得内核数据。第三列“所属模块”指符号所在的模块名，对于从内核这一母模块移出的符号，这一列为空。

模块加载后，2.4内核下可通过 /proc/ksyms、 2.6 内核下可通过/proc/kallsyms查看模块输出的内核符号

3．模块依赖

如前所述，内核符号表记录了所有模块可以访问的符号及相应的地址。当一个新的模块被装入内核后，它所申明的某些符号就会被登记到这个表中，而这些符号可能被其他模块所引用，这就引出了模块依赖这个问题。

一个模块A引用另一个模块B所移出的符号，我们就说模块B被模块A引用，或者说模块A依赖模块B。如果要链接模块A，必须先链接模块B。这种模块间相互依赖的关系就叫模块依赖。

4．模块引用计数器

为 了确保模块安全地卸载，每个模块都有一个引用计数器。当执行模块所涉及的操作时就递增计数器，在操作结束时就递减这个计数器；另外，当模块B被模块A引用 时，模块B的引用计数就递增，引用结束，计数器递减。什么时候可以卸载这个模块？当然只有这个计数器值为0的时候，例如，当一个文件系统还被安装在系统上 时就不能将其卸载，当这个文件系统不再被使用时，引用计数器就为0，于是可以卸载。

四．模块编译

Linux 中最重要的软件开发工具是 GCC。GCC 是 GNU 的 C 和 C++ 编译器。但是，在大型的开发项目中，通常有几十到上百个的源文件，如果每次均手工键入 gcc 命令进行编译的话，则会非常不方便。因此，人们通常利用 make 工具来自动完成编译工作。利用这种自动编译可大大简化开发工作，避免不必要的重新编译。这些工作包括：如果仅修改了某几个源文件，则只重新编译这几个源文件；如果某个头文件被修改了，则重新编译所有包含该头文件的源文件。

1．编译工具make

实际上，make 工具通过一个称为 Makefile 的文件来完成并自动维护编译工作。Makefile 需要按照某种语法进行编写，其中说明了如何编译各个源文件并连接生成可执行文件，并定义了源文件之间的依赖关系。下面给出2.6 内核模块的Makefile模板（请参看Makefile的写法）

# Makefile2.6
obj-m += hellomod.o # 产生hellomod 模块的目标文件
CURRENT_PATH := $(shell pwd) #模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r) #Linux内核源代码的当前版本
LINUX_KERNEL_PATH := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL) #Linux内核源代码的绝对路径
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules #编译模块了
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean #清理

注意： 在每个命令前（例如make命令前）要键入一个制表符（按TAB键产生）

有了Makefile,执行make命令，会自动形成相关的后缀为.o和.ko文件。
到此，模块编译好了，该把它插入到内核了：
如：$insmod hellomod.ko

当然，要以系统员的身份才能把模块插入。

成功插入后，可以通过dmesg命令查看，屏幕最后几行的输出就是你程序中输出的内容：Hello,World! from the kernel space…

当模块不再需要时，可以通过rmmod命令移去，例如

$rmmod hellomod

modutils是管理内核模块的一个软件包。可以在任何获得内核源代码的地方获取Modutils(modutils-x.y.z.tar.gz)源代码，然后选择最高级别的patch.x.y.z等于或小于当前的内核版本，安装后在/sbin目录下就会有insomod、rmmod、ksyms、lsmod、modprobe等实用程序。当然，通常我们在加载Linux内核时，modutils已经被载入。
1．Insmod命令
调用insmod程序把需要插入的模块以目标代码的形式插入到内核中。在插入的时候，insmod自动调用init_module()函数运行。注意，只有超级用户才能使用这个命令，其命令格式为：
# insmod[path] modulename.c
2. rmmod命令
调用rmmod程序将已经插入内核的模块从内核中移出，rmmod会自动运行cleanup_module()函数，其命令格式为：
#rmmod[path] modulename.c
3．lsmod命令
调用lsmod程序将显示当前系统中正在使用的模块信息。实际上这个程序的功能就是读取/proc文件系统中的文件/proc/modules中的信息，其命令格式为：
#lsmod
4．ksyms命令
ksyms这个程序用来显示内核符号和模块符号表的信息。与lsmod相似，它的功能是读取/proc文件系统中的另一个文件/proc/kallsyms。