02 構造和運行模塊

#1 設置測試系統

      &  想要在運行的內核當中擴展模塊，就必須先準備好一個內核源代碼樹（能夠是「主線」內核，也能夠是發行版內核），構造一個新的內核，而後安裝到本身的系統中，做爲測試系統；

 

#2 Hello World 模塊

      &  構造好內核樹以後，就能夠開始編寫模塊了。咱們先從簡單的 「Hello World 模塊」入手：

 1 #include <linux/init.h>
 2 #include <linux/module.h>
 3 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 4  
 5 static int hello_init(void)
 6 {
 7     printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");
 8     return 0;
 9 }
10  
11 static int hello_exit(void)
12 {
13     printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
14 }
15  
16 module_init(hello_init);
17 module_exit(hello_exit);

    上述模塊定義了 hello_init 和 hello_exit 兩個函數，hello_init 在模塊被裝載到內核的時候調用，而 hello_exit 在模塊被移除內核時調用；

 

     module_init 和 module_exit 則是使用了內核的特殊宏來表示 hello_init 和 hello_exit 所要實現的功能；

 

    此外，特殊宏 MODULE_LICENSE 則聲明瞭該模塊的許可權限（若是沒有這個聲明，內核在裝載該模塊時會產生內核被污染警告），可用的 LICENSE 包括：GPL 、 GPL v2 、 GPL and additional rights 、 Dual BSD/GPL 、Dual MPL/GPL  、Proprietary；

 

    函數 printk 是在內核中定義的，這是由於 內核在運行時不能依賴於 C 庫，模塊能夠調用 printk 是由於在 insmod 函數裝入模塊以後，模塊就鏈接到了內核，於是能夠訪問內核的公用符號；

 

    KERN_ALERT 定義了消息的優先級， 消息的優先級降序排列爲：[0] KERN_EMERG 、[1] KERN_ALERT 、[2] KERN_CRIT 、[3] KERN_ERR 、[4] KERN_WARNING 、[5] KERN_NOTICE 、[6] KERN_INFO 和 [7] KERN_DEBUG；新的優先級被指定爲1～8之間的整數值， 打印規則是：顯示設定的優先級到最高優先級之間的信息，即若是值爲1，則只有優先級爲0的消息才能到達控制檯，若是值爲8，則0～7優先級的全部信息都會顯示出來；

 

      &  模塊編譯和測試：

    make：根據 makefile 規定的編譯規則將源程序編譯成模塊 .ko 文件 [關於 makefile 會在以後的筆記當中單獨編輯]；

    su：切換到超級用戶模式，只有超級用戶才能加載和卸載模塊 [熟悉Linux 的同窗應該都知道用戶權限的問題，這裏就不說了]；

    insmod ./hello.ko ：加載模塊；

    rmmod ./hello.ko ：移除模塊；

 

#3 用戶空間和內核空間

      &  模塊運行在內核空間裏，應用程序運行在用戶空間中；

          在內核空間中，處理器能夠進行全部的操做；而在用戶空間中，處理器控制着對硬件的直接訪問以及對內存的非受權訪問；

           當且僅當進程執行系統調用或者被硬件中斷掛起的時候，用戶空間能夠切換到內核空間；

 

#4 當前進程

      &   內核代碼經過全局變量 current 來得到當前進程，current 是一個指向 struct task_struct 的指針；

          在 open 、read 等系統調用的執行過程當中，當前進程指的是調用這些系統調用的進程；

          須要提到的一點是， 在2.6 內核中，引入一種新的機制，即current 再也不是一個全局變量，而是將 task_struct 結構的指針隱藏在內核棧中，這樣，設備驅動只要包含<linux/sched.h>頭文件便可引用當前進程；並且 新的機制支持SMP（對稱多處理器）；

 

#5  裝載和卸載模塊

      &   insmod 和 ld 的區別：

    insmod 將模塊的代碼和數據裝入內核，而後使用內核符號表解析模塊中任何未解析的符號；

    連接器 ld 的工做是解析未定義的符號引用，將目標文件中的佔位符替換爲符號的地址，同時完成程序中各目標文件的地址空間的組織；

    與  ld 不一樣，使用 insmod，內核不會修改模塊的磁盤文件，而是僅僅修改內存中的模塊副本；

 

       &   insmod 的裝載過程：

 

                

 

       &   insmod 和 modprobe 的區別：

    modprobe 也是用來裝載模塊的，與 insmod 不一樣的是，modprobe 會考慮要裝載的模塊是否引用了當前內核當中不存在的符號；若是有這類引用，modprobe 會在當前模塊搜索路徑中查找定義了這些符號的其餘模塊，並將這些模塊一塊兒裝入內核，也即： modprobe 在裝載的時候起到檢查並修正符號依賴性的做用；而insmod 明顯不具有這種功能，若在這種狀況下使用 insmod，則會返回「unresolve symbol」（未解析的符號）錯誤；

 

       &  rmmod 用於從內核中移除模塊； 當內核認爲模塊忙時和內核配置被禁止移除模塊時，rmmod 沒法移除模塊，這時可使用強制移除，但更爲保險的方式是從新引導系統；

 

       &  lsmod 用以顯示當前裝載到內核的全部模塊，實際上， lsmod 經過讀取 /proc/modules 虛擬文件來得到當前已裝載的模塊的信息；

 

#6 內核符號表

       &  insmod 使用公用內核符號表來解析模塊中未定義的符號，這是由於 公用內核符號表包含了全部的全局內核項（函數和變量）的地址；當模塊被裝入內核後，它導出的任何符號都會變成內核符號表的一部分； 這些導出的符號能夠被新模塊使用，這就是模塊層疊技術；

 

       &  若是一個模塊須要向其餘模塊導出符號，應使用下面兩個宏：

         EXPORT_SYMBOL(name)；

        EXPORT_SYMBOL_GPL(name)；

    後者使得導出的版本只能被GPL 許可證下的模塊使用；

 

        &  須要注意的是， 符號必須在模塊文件的全局部分導出，而不能在函數中導出，這是由於符號的導出由宏 EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 控制，而這兩個宏將被擴展爲一個特殊變量的聲明，而該變量必須是全局的；

 

#7 版本依賴

       &  在缺乏 modversions 的狀況下，模塊代碼必須針對要連接的每一個版本的內核從新編譯，也就是說， 不一樣的內核版本可能具備不一樣的數據結構和函數原型，模塊的構造嚴重依賴於內核的版本；

    咱們在構造模塊時， 能夠將模塊與當前內核樹中的 vermagic.o 目標文件進行連接，經過 vermagic.o   [包含了大量有關內核的信息]  來檢查模塊和正在運行內核的兼容性，若是不匹配，就不會裝載該模塊；

 

#8 模塊頭文件

       &  大部份內核代碼中都包含一堆頭文件，以便得到函數、數據類型和變量的定義；其中，有兩個頭文件是模塊當中必需要包含的，它們是：module.h 和 init.h；

     module.h 包含可裝載模塊須要的大量符號和函數的定義； init.h 指定了模塊初始化和清除函數；

    此外，也可能包含 moduleparam.h 頭文件， moduleparam.h 用來在裝載模塊時向模塊傳遞參數；

 

#9 初始化函數

        &   模塊初始化函數註冊模塊提供的任何功能；

 

    初始化函數實際定義一般以下：

1 static int __init initialization_function(void)
2  {
3         /* Initialization code here */
4  }
5 
6  module_init(initialization_function);

 

    初始化函數應聲明爲 st atic， 它們不會在特定文件以外可見；

 

     __init 標誌告訴內核給定的函數只是在初始化使用；模塊加載後會丟掉這個初始化函數，使它的內存可作其餘用途；

    　　相似的標籤 ：__initdate / __devinit / __devinitdata

        　　__initdata 給只在初始化時用的數據；__init 和 __initdata 是可選的；

       　　 __devinit 和 __devinitdata 在內核源碼裏，只有在內核未被配置爲支持 hotplug 設備時它們才被翻譯爲 __init 和 _initdata；

 

    module_init 的使用是強制的；這個宏會在模塊的目標代碼中增長一個特殊的段，用於說明初始化函數所在的位置；沒有這個定義，初始化函數永遠不會被調用；

 

    模塊能夠註冊許多不一樣類型的設施，對每種設施對應有具體的內核函數用來完成註冊；大部分的模塊註冊函數使用 register_ 做爲前綴，可在內核源代碼中使用 grep register_ 找到它；

 

#10 清除函數

       &  清除函數用於在模塊被移除前註銷接口並向系統中返回全部資源；

 

    清除函數的定義以下：

static void __exit cleanup_function(void)     {         /* Cleanup code here */     }     module_exit(cleanup_function);

    __exit 標記該代碼僅用於模塊卸載， 當且僅當模塊被卸載或系統關閉時被調用，其餘用法都是錯誤的；

 

     若是模塊被直接嵌入到內核中或內核標記不容許卸載模塊時，__exit 標記的函數將被拋棄；