Linux内核模块编程基础知识

一、内核简介

内核（Kernel）在计算机科学中是操作系统最基本的部分，主要负责管理系统资源。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并由内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的。所以内核通常提供一种硬件抽象的方法，来完成这些操作。通过进程间通信机制及系统调用，应用进程可间接控制所需的硬件资源（特别是处理器及IO设备）。

二、内核分类

内核在设计上分为宏内核与微内核两大架构。

宏内核：简单来说，就是把很多东西都集成进内核，例如Linux内核，除了最基本的进程、线程管理、内存管理外，文件系统，驱动，网络协议栈等都在内核里面。优点是效率高。缺点是稳定性差，开发过程中的bug经常会导致整个系统挂掉。做驱动开发的应该经常有按电源键强行关机的经历。

微内核：内核中只有最基本的调度、内存管理。驱动、文件系统等都是用户态的守护进程去实现的。优点是超级稳定，驱动等的错误只会导致相应进程死掉，不会导致整个系统都崩溃，做驱动开发时，发现错误，只需要kill掉进程，修正后重启进程就行了，比较方便。缺点是效率低。

三、内核模块及其好处

Linux是一个宏内核，运行在单独的内核地址空间。不过，Linux汲取了微内核的精华：其引以为豪的是模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块的能力。不仅如此，Linux还避免其微内核设计上性能损失的缺陷，让所有事情都运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。至今，Linux是模块化的、多线程的以及内核本身可调度的操作系统，实用主义再次占了上风。

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。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。

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），简称为模块。

同时内核模块的这一特点也有助于减小内核镜像文件的体积,自然也就减少了内核所占的内存空间(因为整个内核镜像将会被加载到内存中运行)。不必把所有的驱动都编译内核,而是以模块的形式单独编译驱动程序,这是基于不是所有的驱动都会同时工作原理。因为不是所有的硬件都要同时接入系统,比如一个无线网卡讨论完内核模块的这些特性后,我们正式开始编写模块程序。

四、内核模块编程基础

众所周知，内核模式下的编程和用户模式下有所不同，会有如下限制条件：

• 不能使用用户模式下的C标准库。
• 不能使用浮点运算，因为linux内核切换模式时不保存处理器的浮点状态。
• 尽可能保持代码的清洁易懂，因为内核调试不方便。
• 模块编程和内核版本密切相连，不同的内核版本，某些函数的函数名会有变化。因此模块编程也可以说是内核编程。
• 只有超级用户才可以运行模块 。

应用程序编程和内核模块编程的对比：

	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()
编译工具	gcc	make
链接工具	gcc	insmod
运行方式	直接运行	insmod
调试方法	gdb	kdbug、kdb、kgdb

五、内核模块代码结构

1、头文件引用

#include < linux/module.h >
 #include < linux/kernel.h >
 #include < linux/init.h >

编写任何内核模块程序所必须引用的 3 个头文件 ：

• module.h包含了对模块结构的定义及模块版本的控制
• kernel.h包含了常用的内核函数
• init.h包含了宏__init和__exit，以及一些其他初始化函数的调用宏。如宏module_init等。宏__init告诉编译程序相关的函数仅用于初始化模块的初始化的宏定义，宏__exit用于可加载模块的卸载清理操作。

2、编写内核模块时必备的两个函数

1）xxx_init()：注册函数(名字xxx可任起) 或模块的初始化函数。如：

/* 不加void在调试时会出现报警 */
static int __init myfunc_init( void )      
{    
     printk("Hello, This is my own module…
");
     return 0;
}

2）xxx_exit( )：卸载函数(名字xxx可任起) 或模块的退出和清理函数。如：

/* 不加void会出现报警,若改为static int也会报错 , 因为出口函数是不能返回值的 */
static void __exit myfunc_exit( void )      
{
     printk("Goodbye, uninstall my own module…
"); 
}

3、加载模块和卸载模块

1） module_init() ：向内核注册模块，提供新功能；告诉内核你编写的模块程序从哪里开始执行。

2） module_exit() ：注销由模块提供的功能；告诉内核你编写的模块程序从哪里离开。

4、模块许可权限声明

MODULE_LICENSE(“GPL”);

从内核2.4.10开始，动态加载的模块必须通过MODULE_LICENSE宏声明此模块的许可证。否则在动态加载此模块时，会收到内核被污染"module license’unspecified’ taints kernel."的警告。

从Linux内核2.6开始，内核模块的编译采用Kbuild(kernel build)系统。Kbuild系统会两次扫描Linux的Makefile：首先编译系统会读取Linux内核顶层的Makefile，然后根据读到的内容第二次读取Kbuild的Makefile来编译Linux内核或者模块。

Kernel Makefile：Kernel Makefile位于Linux内核源代码的顶层录/usr/src/kernels/xxx/，也叫Top Makefile。这个文件会被首先读取，并根据读到的内容配置编译环境变量。对于内核或驱动开发人员来说，这个文件几乎不用任何修改。

Kbuild Makefile：当Kernel Makefile被解析完成后，Kbuild会读取相关的Kbuild Makefile进行内核或模块的编译。内核及驱动开发人员需要编写这个Kbuild Makefile文件。

六、自定义内核模块

1、选择一个目录，创建Makefile和myownfunc.c文件；

myownfunc.c代码：

/* 源文件myownfunc.c */
#include < linux/module.h >
#include < linux/kernel.h >
#include < linux/init.h >

static int __init myfunc_init(void)
{
    printk("Hello,this is my own module!
");
    return 0;
}

static void __exit myfunc_exit(void)
{
    printk("Goodbye,this is my own clean module!
");
}


module_init(myfunc_init);
module_exit(myfunc_exit);

MODULE_DESCRIPTION("First Personel Module");
MODULE_AUTHOR("Lebron James");
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile代码：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
$(info "2nd")
obj-m:=myownfunc.o
else
KDIR :=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD  :=$(shell pwd)
all:
        $(info "1st")
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.symvers *.cmd *.mod.c *.order *.mod
endif

Makefile解析：

#KERNELRELEASE :在内核源码树的Makefile中定义，在当前的Makefile中，
# 它的值为空。
#$(shell uname-r) :获得当系统的Linux内核版本
#KDIR :指定当前Linux操作系统源代码路径，即编译生成的模块是在当前系统中使用
# 如果想将你写的模块，用在你的开发板上运行的Linux系统中，只需在KDIR变量中指定
# 你开发板Linux系统源码树的路径
#PWD:=$(shell pwd)获得当前待编译模块的源文件路径

2、make编译执行过程分析

1）在模块的源代码目录下执行make，此时，宏“KERNELRELEASE”没有定义，因此进入else分支；

2）记录内核路径KDIR和当前工作目录PWD;

3）因为make后面没有目标，所以make会在Makefile中的第一个不是以.开头的目标作为默认的目标执行，于是all成为make的目标；all：之后的第一个命令$(info “1st”) 类似于printf函数，编译经过此处会打印提示信息。

4）make的第二条命令会执行make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules，翻译过来就是

make -C /lib/modules/6.1.0-rc4+/build M=/tmp/29 modules

-C 表示到存放内核源码的目录执行其Makefile

M=$(PWD) 表示返回到当前待编译模块目录

modules 表示编译成模块的意思

之所以这么写是由内核源码树的顶层Makefile告诉我们的，当我们调用Linux内核源码树顶层的Makefile时，找到的是顶层Makefile的“modules”目标。

5）找到modules目标后，接下来Linux源码树的顶层Makeflle就需要知道是将哪些".c"文件编译成模块。谁告诉它呢？是的，待编译模块的Makefile文件。所以接下来就会回调模块的Makefile。需要注意的是，此时KERNELRELEASE已经在Linux内核源码树的顶层Makefile中定义过了，所以此时它获得信息是：

obj-m:=myownfunc.o

obj-m表示会将myownfunc.o目标编译成.ko模块；它告诉Linux源码树顶层Makefile是动态编译（编译成模块）而不是编译进内核（obj-y）,Linux源码树顶层Makefile会根据myownfunc.o找到myownfunc.c文件。

6）将模块文件myownfunc.c编译为myownfunc.o,然后再将多个目标链接为.ko

最终编译结果如下：

[root@localhost 29]# make
"1st"
make -C /lib/modules/6.1.0-rc4+/build M=/tmp/29 modules
make[1]: Entering directory `/usr/src/kernels/6.1.0-rc4+'
"2nd"
  CC [M]  /tmp/29/myownfunc.o
"2nd"
  MODPOST /tmp/29/Module.symvers
  CC [M]  /tmp/29/myownfunc.mod.o
  LD [M]  /tmp/29/myownfunc.ko
make[1]: Leaving directory `/usr/src/kernels/6.1.0-rc4+'

由执行结果可知，待编译模块的Makefile最终被调用了三次

1） 执行命令make调用

2） 被Linux内核源码树的顶层Makefile调用，产生.o文件

3） 被Linux内核源码树顶层Makefile调用，将.o文件链接生成.ko文件

综上，可将Linux模块编译的流程总结如下图：

七、模块加载与卸载

编译好了xxx.ko文件以后，接下来就要考虑如何将ko模块加载到Linux内核以及如何卸载ko模块，让我们学习Linux内核模块加载与卸载。

1、模块加载

insmod /absolute-path/模块名.ko

例如添加上文编译的内核模块：

insmod ./myownfunc.ko

注意：Linux系统中只有超级用户权限才可以添加模块到内核。

modprobe命令也可以实现模块加载到内核，具体差异本文不做详细概述，后续会出专门的推文讲解insmod和modprobe的区别。

2、查看系统中的模块

lsmod 模块名

例如在系统中搜索自己添加的myownfunc模块：

[root@nj-rack01-06 29]# lsmod | grep myownfunc
myownfunc              16384  0

3、卸载模块

rmmod 模块名

例如卸载系统中的myownfunc模块：

rmmod myownfunc

4、查看模块信息

1）查看模块注册的信息

modinfo 模块名.ko

例如查看自己添加的myownfunc模块的注册信息：

[root@nj-rack01-06 29]# modinfo myownfunc.ko
filename:       /tmp/29/myownfunc.ko
license:        GPL
author:         Lebron James
description:    First Personel Module
srcversion:     8748FD633F9276BD38A9934
depends:
retpoline:      Y
name:           myownfunc
vermagic:       6.1.0-rc4+ SMP preempt mod_unload modversions

如上结果所示，modinfo会显示模块的全路径文件名，license信息，作者信息，描述信息，模块名等。

2）查看模块打印的信息

dmesg | tail

例如查看自己添加的myownfunc模块打印信息：

dmesg主要是从Linux内核的ring buffer(环形缓冲区)中读取信息的。

在Linux系统中，所有通过printk打印出来的信息都会送到ring buffer中。我们知道，我们打印出来的信息是需要在控制台设备上显示的。因为此时printk只是把信息输送到ring buffer中，等控制台设备初始化好后，在根据ring buffer中消息的优先级决定是否需要输送到控制台设备上。

如何清空ring buffer呢？

dmesg -c

到此，本文即成功实现了自定义内核模块的加载、卸载以及打印信息的查看。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，想学习Linux驱动的朋友赶紧亲自动手试一试吧。