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Linux内核之旅

 
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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


.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。

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