内核模块编程之入门（二）—必备知识

模块编程属于内核编程&＃xff0c;因此&＃xff0c;除了对内核相关知识有所了解外&＃xff0c;还需要了解与模块相关的知识。

1&＃xff0e;应用程序与内核模块的比较

为了加深对内核模块的了解&＃xff0c;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

从表一我们可以看出&＃xff0c;内核模块程序不能调用libc库中的函数&＃xff0c;它运行在内核空间&＃xff0c;且只有超级用户可以对其运行。另外&＃xff0c;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&＃xff0e;内核符号表

如之前所述&＃xff0c;Linux内核是一个整体结构&＃xff0c;像一个圆球&＃xff0c;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&＃xff0c;但为了方便起见&＃xff0c;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&＃xff1f;

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&＃xff0c;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&＃xff0c;这些变量和函数就统称为符号。到底哪些符号可以被共享&＃xff1f; Linux内核有自己的规定。对于内核这个特殊的母模块&＃xff0c;在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号&＃xff0c;例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下&＃xff1a;
/* 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&＃xff08;&＃xff09;本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢&＃xff1f;因为这些符号本来是内核内部的符号&＃xff0c;通过这个宏放在一个公开的地方&＃xff0c;使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。
实际上&＃xff0c;仅仅知道这些符号的名字是不够的&＃xff0c;还得知道它们在内核地址空间中的地址才有意义。因此&＃xff0c;内核中定义了如下结构来描述模块的符号&＃xff1a;
struct module_symbol
{
unsigned long value; &＃xff0f;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&＃xff0c;这所有符号就形成内核符号表&＃xff0c;其格式如下&＃xff1a;
内存地址 符号名 &＃xff3b;所属模块&＃xff3d;
在模块编程中&＃xff0c;可以根据符号名从这个文件中检索出其对应的地址&＃xff0c;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&＃xff0c;对于从内核这一母模块移出的符号&＃xff0c;这一列为空。
模块加载后&＃xff0c;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&＃xff0e;模块依赖

如前所述&＃xff0c;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&＃xff0c;它所声明的某些符号就会被登记到这个表&＃xff08;内核符号表&＃xff09;中&＃xff0c;而这些符号可能被其他模块所引用&＃xff0c;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&＃xff0c;我们就说模块B被模块A引用&＃xff0c;或者说模块A依赖模块B。如果要链接模块A&＃xff0c;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&＃xff0e;模块引用计数器

为了确保模块安全地卸载&＃xff0c;每个模块都有一个引用计数器。

当执行模块所涉及操作时就递增计数器&＃xff0c;在操作结束时就递减这个计数器&＃xff1b;另外&＃xff0c;当模块B被模块A引用时&＃xff0c;模块B的引用计数就递增&＃xff0c;引用结束&＃xff0c;计数器递减。
什么时候可以卸载这个模块&＃xff1f;当然只有这个计数器值为0的时候
例如&＃xff0c;当一个文件系统还被安装在系统上 时就不能将其卸载&＃xff0c;当这个文件系统不再被使用时&＃xff0c;引用计数器就为0&＃xff0c;于是可以卸载。

5 .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&＃43;&＃43; 编译器。但是&＃xff0c;在大型的开发项目中&＃xff0c;通常有几十到上百个的源文件&＃xff0c;如果每次均手工键入 gcc 命令进行编译的话&＃xff0c;则会非常不方便。因此&＃xff0c;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&＃xff0c;避免不必要的重新编译。这些工作包括&＃xff1a;如果仅修改了某几个源文件&＃xff0c;则只重新编译这几个源文件&＃xff1b;如果某个头文件被修改了&＃xff0c;则重新编译所有包含该头文件的源文件。
编译工具make
实际上&＃xff0c;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&＃xff0c;其中说明了如何编译各个源文件并连接生成可执行文件&＃xff0c;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&＃xff08;请参看Makefile的写法&＃xff09;

Makefile2.6

obj-m &＃43;&＃61; hellomod.o # 产生hellomod 模块的目标文件
CURRENT_PATH :&＃61; $(shell pwd) #模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL :&＃61; KaTeX parse error: Expected &＃39;EOF&＃39;, got &＃39;#&＃39; at position 21: …l uname -r) #̲Linux内核源代码的当前版本…(LINUX_KERNEL) #Linux内核源代码的绝对路径
all:
make -C (LINUXKERNELPATH)M&＃61;(LINUX_KERNEL_PATH) M&＃61;(LINUXK​ERNELP​ATH)M&＃61;(CURRENT_PATH) modules #编译模块了
clean:
make -C (LINUXKERNELPATH)M&＃61;(LINUX_KERNEL_PATH) M&＃61;(LINUXK​ERNELP​ATH)M&＃61;(CURRENT_PATH) clean #清理
注意&＃xff1a; 在每个命令前&＃xff08;例如make命令前&＃xff09;要键入一个制表符&＃xff08;按TAB键产生&＃xff09;&＃xff0c;在这里编者要啰嗦一句&＃xff0c;一般第一次写的makefile会有一车的错误&＃xff0c;下面贴上一篇总结了常见的错误的文章&＃xff0c;希望能帮助到你。http://blog.csdn.net/sium__/article/details/48594871
有了Makefile,执行make命令&＃xff0c;会自动形成相关的后缀为.o和.ko文件。
到此&＃xff0c;模块编译好了&＃xff0c;该把它插入到内核了&＃xff1a;
如&＃xff1a;$insmod hellomod.ko
当然&＃xff0c;要以系统员的身份才能把模块插入。
成功插入后&＃xff0c;可以通过dmesg命令查看&＃xff0c;屏幕最后几行的输出就是你程序中输出的内容&＃xff1a;Hello,World! from the kernel space…

当模块不再需要时&＃xff0c;可以通过rmmod命令移去&＃xff0c;例如
$rmmod hellomod