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Linux内核模块

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Linux内核管理着一台计算机的所有资源,为上层应用程序提供统一的编程接口(系统调用),屏蔽底层设备的差异。 由于不同用户物理设备以及对内核功能需求的差异性,需要一种类似插件的运行机制——编写插件实现所需功能,然后嵌入到内核中,与内核形成一个整体。

Linux内核模块便是这样的插件。作为Linux内核的扩展手段,可以在运行时动态加载和卸载。 那么,一个内核模块是怎么编写的呢?与普通程序编写有什么区别呢?

程序开发经常以hello world程序入门,因为这是最简单的。 本文也通过一个最简单的内核模块,演示如何一步步编写一个内核模块。

结构

内核模块与普通程序不同,没有执行流。 可以这样理解,内核模块实现一些函数,作为回调函数注册到内核中。 在内核加载/卸载时,或者其他应用程序调用系统调用时,注册的回调函数才得到调用。

有两个最基本的回调函数initexit,分别由module_initmodule_exit登记,分别在模块加载和卸载的时候执行。 下面实现的hello world内核模块,将只实现这两个最基本的函数。

内核模块支持参数,用户借此控制内核模块的行为。 参数有默认值,可以在加载时指定,也可以在通过proc伪文件系统等手段动态修改。

此外,内核模块还需要带一些描述信息,包括许可证、作者、描述以及版本等等。 描述信息由MODULE_系列宏指定,modinfo等命令可以展示这些信息。

编码

开干了!新建一个文件,hello.c用于实现一个玩具型内核模块——hello模块。

hello模块只实现initexit函数,分别在加载和卸载时往内核日志输出一条记录。 同时,也演示了参数的使用方式——通过参数控制日志输出内容。

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/**
 * FileName:   hello.c
 * Author:     Chen Yanfei
 * @contact:   fasionchan@gmail.com
 * @version:   $Id$
 *
 * Description:
 *
 * Changelog:
 *
 **/

// 引入相关内核头文件
#include <linux/module.h>

// 内核模块信息,包括许可证、作者、描述和版本等
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Fasion Chan");
MODULE_DESCRIPTION("An hello worlk module for demonstration");
MODULE_VERSION("1.0");

// 内核模块参数,加载时指定或者动态指定,以此控制模块行为
static char *name = "world";
module_param(name, charp, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(name, "Whom this module say hello to");


// 初始化函数,在加载时调用,分配资源准备执行环境
// 这里只是往内核日志输出一行记录
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "HELLO: Hello %s, this is hello module speaking\n", name);
    return 0;
}


// 清理函数,在卸载时调用,回收资源销毁执行环境
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "HELLO: Goodbye %s", name);
}

// 登记初始化函数及清理函数
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

编译

内核模块代码已经写好了,怎样知道写得对不对呢?编译运行一下不就知道了? 可问题是如何编译呢?跟普通程序一样吗?用gcc来编译?

没错,内核模块用gcc来编译,但不会直接运行gcc。 我们需要先准备一个Makefile,内容如下:

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obj-m+=hello.o

all:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules

clean:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules

好了之后,我们再命令行下运行make即可:

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$ ls
hello.c  Makefile
$ make
make -C /lib/modules/3.16.0-4-amd64/build/ M=/home/fasion/hello modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  CC [M]  /home/fasion/hello/hello.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC      /home/fasion/hello/hello.mod.o
  LD [M]  /home/fasion/hello/hello.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
$ ls
hello.c  hello.ko  hello.mod.c  hello.mod.o  hello.o  Makefile  modules.order  Module.symvers

看到hello.ko文件生成,意味着编译大功告成了! 该文件就是二进制内核模块目标文件,其他文件的作用不再讨论了。

顺便提一句,Makefile中分成allclean两节。 其中all用来编译,clean用来清理编译环境:

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$ make clean
make -C /lib/modules/3.16.0-4-amd64/build/ M=/home/fasion/hello clean
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  CLEAN   /home/fasion/hello/.tmp_versions
  CLEAN   /home/fasion/hello/Module.symvers
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
$ ls
hello.c  Makefile

可以看到,运行了make clean后,所有编译生成的文件都清理掉了,只剩源码文件和Makefile

运行

内核模块编译完成后,要怎么使用呢?跟普通程序直接运行不同,内核模块需要加载到内核里面发挥作用。使用insmod命令加载内核模块:

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$ ls
hello.c  hello.ko  hello.mod.c  hello.mod.o  hello.o  Makefile  modules.order  Module.symvers
$ sudo insmod hello.ko
$ dmesg
[   14.226777] 00:00:00.000718 main     OS Product: Linux
[   14.226814] 00:00:00.000779 main     OS Release: 3.16.0-4-amd64
[   14.226845] 00:00:00.000814 main     OS Version: #1 SMP Debian 3.16.7-ckt20-1+deb8u4 (2016-02-29)
[   14.226873] 00:00:00.000844 main     OS Service Pack: #1 SMP Debian 3.16.7-ckt20-1+deb8u4 (2016-02-29)
[   14.226912] 00:00:00.000872 main     Executable: /opt/VBoxGuestAdditions-5.0.8/sbin/VBoxService
00:00:00.000873 main     Process ID: 716
00:00:00.000874 main     Package type: LINUX_64BITS_GENERIC
[   14.232015] 00:00:00.005962 main     5.0.8 r103449 started. Verbose level = 0
[ 4368.359895] HELLO: Hello world, this is hello module speaking

内核模块加载后,用dmesg命令看到,内核模块初始化时输出的一条内核日志。

加载内核模块时怎么指定参数的值呢?下面演示移除内核模块,并以fasionname参数值重新挂载:

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$ sudo rmmod hello
$ sudo insmod hello.ko name=fasion

操作完成后,用dmesg可以看到以下内核日志:

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[ 4368.359895] HELLO: Hello world, this is hello module speaking
[ 4812.067761] HELLO: Goodbye world
[ 4841.011892] HELLO: Hello fasion, this is hello module speaking

第二次挂载时,name参数的值不是默认值world,而是fasion了。

跟内核模块相关还有insmodrmmodlsmodmodinfomodprobe等命令,用法请参考man文档。

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