内核模块开发

Linux 内核管理着计算机的所有资源，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 init 和 exit ，分别由 module_init 和 module_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 init 和 exit 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。

  1. /**
  2.  * FileName:   hello.c
  3.  * Author:     Chen Yanfei
  4.  * @contact:   fasionchan@gmail.com
  5.  * @version:   $Id$
  6.  *
  7.  * Description:
  8.  *
  9.  * Changelog:
  10.  *
  11.  **/
  13. // 引入相关内核头文件
  14. #include <linux/module.h>
  16. // 内核模块信息，包括许可证、作者、描述和版本等
  17. MODULE_LICENSE("GPL");
  18. MODULE_AUTHOR("Fasion Chan");
  19. MODULE_DESCRIPTION("An hello worlk module for demonstration");
  20. MODULE_VERSION("1.0");
  22. // 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
  23. static char *name = "world";
  24. module_param(name, charp, S_IRUGO);
  25. MODULE_PARM_DESC(name, "Whom this module say hello to");
  28. // 初始化函数，在加载时调用，分配资源准备执行环境
  29. // 这里只是往内核日志输出一行记录
  30. static int __init hello_init(void)
  31. {
  32.         printk(KERN_INFO "HELLO: Hello %s, this is hello module speaking\n", name);
  33.         return 0;
  34. }
  37. // 清理函数，在卸载时调用，回收资源销毁执行环境
  38. static void __exit hello_exit(void)
  39. {
  40.         printk(KERN_INFO "HELLO: Goodbye %s", name);
  41. }
  43. // 登记初始化函数及清理函数
  44. module_init(hello_init);
  45. 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：

  1. obj-m+=hello.o
  3. all:
  4.         make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules
  6. clean:
  7.         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：

  1. $ ls
  2. hello.c  Makefile
  3. $ make
  4. make -C /lib/modules/3.16.0-4-amd64/build/ M=/home/fasion/hello modules
  5. make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  6. make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  7.   CC [M]  /home/fasion/hello/hello.o
  8.   Building modules, stage 2.
  9.   MODPOST 1 modules
  10.   CC      /home/fasion/hello/hello.mod.o
  11.   LD [M]  /home/fasion/hello/hello.ko
  12. make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  13. $ ls
  14. 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深入讨论。

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

  1. $ make clean
  2. make -C /lib/modules/3.16.0-4-amd64/build/ M=/home/fasion/hello clean
  3. make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  4. make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  5.   CLEAN   /home/fasion/hello/.tmp_versions
  6.   CLEAN   /home/fasion/hello/Module.symvers
  7. make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-3.16.0-4-amd64'
  8. $ ls
  9. 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：

  1. $ ls
  2. hello.c  hello.ko  hello.mod.c  hello.mod.o  hello.o  Makefile  modules.order  Module.symvers
  3. $ sudo insmod hello.ko
  4. $ dmesg
  5. [   14.226777] 00:00:00.000718 main     OS Product: Linux
  6. [   14.226814] 00:00:00.000779 main     OS Release: 3.16.0-4-amd64
  7. [   14.226845] 00:00:00.000814 main     OS Version: #1 SMP Debian 3.16.7-ckt20-1+deb8u4 (2016-02-29)
  8. [   14.226873] 00:00:00.000844 main     OS Service Pack: #1 SMP Debian 3.16.7-ckt20-1+deb8u4 (2016-02-29)
  9. [   14.226912] 00:00:00.000872 main     Executable: /opt/VBoxGuestAdditions-5.0.8/sbin/VBoxService
  10. 00:00:00.000873 main     Process ID: 716
  11. 00:00:00.000874 main     Package type: LINUX_64BITS_GENERIC
  12. [   14.232015] 00:00:00.005962 main     5.0.8 r103449 started. Verbose level = 0
  13. [ 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 fasion 为 name 参数值重新挂载：

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

操作完成后，用 dmesg 可以看到以下内核日志：

  1. [ 4368.359895] HELLO: Hello world, this is hello module speaking
  2. [ 4812.067761] HELLO: Goodbye world
  3. [ 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 insmod 、 rmmod 、 lsmod 、 modinfo 、 modprobe 等命令，用法请参考man文档。

下一步

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参考文献