Linux核心之旅

 

核心模組是Linux核心向外部提供的一個插口，其全稱為動態可載入核心模組（Loadable Kernel Module，LKM），我們簡稱為模組。Linux核心之所以提供模組機制，是因為它本身是一個單核心（monolithic kernel）。單核心的最大優點是效率高，因為所有的內容都整合在一起，但其缺點是可擴充性和可維護性相對較差，模組機制就是為了彌補這一缺陷。

一、 什麼是模組

模組是具有獨立功能的程式，它可以被單獨編譯，但不能獨立運行。它在運行時被連結到核心作為核心的一部分在核心空間運行，這與運行在使用者空間的進程是不同的。模組通常由一組函數和資料結構組成，用來實現一種檔案系統、一個驅動程式或其他核心上層的功能。

二、 編寫一個簡單的模組

模組和核心都在核心空間運行，模組編程在一定意義上說就是核心編程。因為核心版本的每次變化，其中的某些函數名也會相應地發生變化，因此模組編程與核心版本密切相關。以下例子針對2.6核心

1．程式舉例

hellomod.c

// hello world driver for Linux 2.6 #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h>/* 必要的標頭檔*/static int __init lkp_init( void ){printk(“<1>Hello,World! from the kernel space…\n”);return 0;}static void __exit lkp_cleanup( void ){printk(“<1>Goodbye, World! leaving kernel space…\n”); } module_init(lkp_init); module_exit(lkp_cleanup); MODULE_LICENSE(“GPL”);

 

．說明 
第4行：
        所有模組都要使用標頭檔module.h，此檔案必須包含進來。
第5行：
        標頭檔kernel.h包含了常用的核心功能。
第6行：
        標頭檔init.h包含了宏_init和_exit，它們允許釋放核心佔用的記憶體。
建議瀏覽一下該檔案中的代碼和注釋。
第9-12行：
        這是模組的初始化函數，它必需包含諸如要編譯的代碼、初始化資料結構等內容。
第11行使用了printk()函數，該函數是由核心定義的，功能與C庫中的printf()類似，
它把要列印的資訊輸出到終端或系統日誌。字串中的<1>是輸出的層級，
表示立即在終端輸出。
第15-18行：
        這是模組的退出和清理函數。此處可以做所有終止該驅動程式時相關的清理工作。
第20行：
        這是驅動程式初始化的進入點。對於內建模組，核心在引導時調用該進入點；
對於可載入模組則在該模組插入核心時才調用。
第21行：
        對於可載入模組，核心在此處調用module_cleanup（）函數，而對於內建的模組，
它什麼都不做。
第22行：
        提示可能沒有GNU公用許可證。有幾個宏是在2.4版的核心中才開發的（詳情參見modules.h）。

  函數module_init()和cleanup_exit()是模組編程中最基本也是必須的兩個函數。
module_init()向核心註冊模組所提供的新功能，
而cleanup_exit()登出由模組提供的所有功能。

模組編程屬於核心編程，因此，除了對核心相關知識有所瞭解外，還需要瞭解與模組相關的知識。

1．應用程式與核心模組的比較
為了加深對核心模組的瞭解，表一給出應用程式與核心模組程式的比較。
表一 應用程式與核心模組程式的比較

	C語言應用程式	核心模組程式
使用函數	Libc庫	核心功能
Runspace	使用者空間	核心空間
運行許可權	普通使用者	超級使用者
入口函數	main()	module_init()
出口函數	exit()	module_exit()
編譯	Gcc –c	Makefile
串連	Gcc	insmod
運行	直接運行	insmod
調試	Gdb	kdbug, kdb,kgdb等

從表一我們可以看出，核心模組程式不能調用libc庫中的函數，它運行在核心空間，且只有超級使用者可以對其運行。另外，模組程式必須通過module_init()和module-exit()函數來告訴核心“我來了”和“我走了”。

2．核心符號表（如果對以下第2~4點理解上有困難，可以越過）

如 前所述，Linux核心是一個整體結構，像一個圓球，而模組是插入到核心中的外掛程式。儘管核心不是一個可安裝模組，但為了方便起見，Linux把核心也看作 一個“母”模組。那麼模組與模組之間如何進行互動呢，一種常用的方法就是共用變數和函數。但並不是模組中的每個變數和函數都能被共用，核心只把各個模組中 主要的變數和函數放在一個特定的區段，這些變數和函數就統稱為符號。到低哪些符號可以被共用？ Linux核心有自己的規定。對於核心這個特殊的母模組，在kernel/ksyms.c中定義了從中可以“移出”的符號，例如進程管理子系統可以“移出”的符號定義如下：

/* 進程管理 */

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);

…

你可能對這些變數和函數已經很熟悉。其中宏定義EXPORT_SYMBOL（）本身的含義是“移出符號”。為什麼說是“移出”呢？因為這些符號本來是核心內部的符號，通過這個宏放在一個公開的地方，使得裝入到核心中的其他模組可以引用它們。

實際上，僅僅知道這些符號的名字是不夠的，還得知道它們在核心地址空間中的地址才有意義。因此，核心中定義了如下結構來描述模組的符號：

struct module_symbol

{

unsigned long value; ／*符號在核心地址空間中的地址*/

const char *name; /*符號名*/

};

我們可以從/proc/ksyms檔案中讀取所有核心模組“移出”的符號，這所有符號就形成核心符號表，其格式如下：

記憶體位址 符號名 ［所屬模組］

在模組編程中，可以根據符號名從這個檔案中檢索出其對應的地址，然後直接存取該地址從而獲得核心資料。第三列“所屬模組”指符號所在的模組名，對於從核心這一母模組移出的符號，這一列為空白。

模組載入後，2.4核心下可通過 /proc/ksyms、 2.6 核心下可通過/proc/kallsyms查看模組輸出的核心符號

3．模組依賴

如前所述，核心符號表記錄了所有模組可以訪問的符號及相應的地址。當一個新的模組被裝入核心後，它所申明的某些符號就會被登記到這個表中，而這些符號可能被其他模組所引用，這就引出了模組依賴這個問題。

一個模組A引用另一個模組B所移出的符號，我們就說模組B被模組A引用，或者說模組A相依模組B。如果要連結模組A，必須先連結模組B。這種模組間相互依賴的關係就叫模組依賴。

4．模組引用計數器

為 了確保模組安全地卸載，每個模組都有一個引用計數器。當執行模組所涉及的操作時就遞增計數器，在操作結束時就遞減這個計數器；另外，當模組B被模組A引用 時，模組B的引用計數就遞增，引用結束，計數器遞減。什麼時候可以卸載這個模組？當然只有這個計數器值為0的時候，例如，當一個檔案系統還被安裝在系統上 時就不能將其卸載，當這個檔案系統不再被使用時，引用計數器就為0，於是可以卸載。

四．模組編譯

Linux 中最重要的軟體開發工具是 GCC。GCC 是 GNU 的 C 和 C++ 編譯器。但是，在大型的開發項目中，通常有幾十到上百個的源檔案，如果每次均手工鍵入 gcc 命令進行編譯的話，則會非常不方便。因此，人們通常利用 make 工具來自動完成編譯工作。利用這種自動編譯可大大簡化開發工作，避免不必要的重新編譯。這些工作包括：如果僅修改了某幾個源檔案，則只重新編譯這幾個源檔案；如果某個標頭檔被修改了，則重新編譯所有包含該標頭檔的源檔案。

1．編譯工具make

實際上，make 工具通過一個稱為 Makefile 的檔案來完成並自動維護編譯工作。Makefile 需要按照某種文法進行編寫，其中說明了如何編譯各個源檔案並串連產生可執行檔，並定義了源檔案之間的依賴關係。下面給出2.6 核心模組的Makefile模板（請參看Makefile的寫法）

 

# Makefile2.6 obj-m += hellomod.o        # 產生hellomod 模組的目標檔案 CURRENT_PATH := $(shell pwd)   #模組所在的當前路徑 LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)    #Linux核心原始碼的目前的版本 LINUX_KERNEL_PATH := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL) #Linux核心原始碼的絕對路徑 all: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules   #編譯模組了 clean: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean    #清理

注意： 在每個命令前（例如make命令前）要鍵入一個定位字元（按TAB鍵產生）

有了Makefile,執行make命令，會自動形成相關的尾碼為.o和.ko檔案。
到此，模組編譯好了，該把它插入到核心了：
如：$insmod hellomod.ko

  當然，要以系統員的身份才能把模組插入。

  成功插入後，可以通過dmesg命令查看，螢幕最後幾行的輸出就是你程式中輸出的內容：Hello,World! from the kernel space…

 
當模組不再需要時，可以通過rmmod命令移去，例如

$rmmod hellomod

modutils是管理核心模組的一個軟體包。可以在任何獲得核心原始碼的地方擷取Modutils(modutils-x.y.z.tar.gz)原始碼，然後選擇最進階別的patch.x.y.z等於或小於當前的核心版本，安裝後在/sbin目錄下就會有insomod、rmmod、ksyms、lsmod、modprobe等公用程式。當然，通常我們在載入Linux核心時，modutils已經被載入。
1．Insmod命令
調用insmod程式把需要插入的模組以目標代碼的形式插入到核心中。在插入的時候，insmod自動調用init_module()函數運行。注意，只有超級使用者才能使用這個命令，其命令格式為：
# insmod  [path] modulename.c
2. rmmod命令
調用rmmod程式將已經插入核心的模組從核心中移出，rmmod會自動運行cleanup_module()函數，其命令格式為：
#rmmod  [path] modulename.c
3．lsmod命令
調用lsmod程式將顯示當前系統中正在使用的模組資訊。實際上這個程式的功能就是讀取/proc檔案系統中的檔案/proc/modules中的資訊，其命令格式為：
#lsmod
4．ksyms命令
ksyms這個程式用來顯示核心符號和模組符號表的資訊。與lsmod相似，它的功能是讀取/proc檔案系統中的另一個檔案/proc/kallsyms。