Linux模塊化機制和module_init

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引子：模塊化機制長處

模塊化機制(module)是Linux系統的一大創新。是Linux驅動開發和執行的基礎（固然，module並不不過支撐驅動）。

其長處在於：

1.在系統執行動態載入模塊。擴充內核的功能。

不需要時可以卸載。

2. 改動內核功能，沒必要又一次全部編譯整改內核，僅僅需要編譯對應模塊就能夠。

3.模塊目標代碼一旦被載入重定位到內核，其做用域和靜態連接的代碼全然等價。

本文重點闡述Linux module載入的前因後果，當中的奧祕就在於對宏module_init的解讀。

1、模塊樣例

hello_module.c代碼例如如下：

#include <linux/module.h> /* Needed by all modules */

#include <linux/kernel.h> /* Needed for KERN_ALERT */

#include <linux/init.h> /*Needed for __init */

static int __init test_init(void){

printk(KERN_ALERT"Hello world!\n");

return 0;

}

static void __exit test_exit(void){

printk(KERN_ALERT"Goodbye world!\n");

}

module_init(test_init);

module_exit(test_exit);

2、模塊編程要點

1．頭文件 linux/module.h、linux/kernel.h、linux/init.h

2. 定義模塊的初始化函數test_init(名字隨意)和卸載函數test_exit(名字隨意)。

3. 用宏module_init聲明初始化函數，用宏module_exit聲明卸載函數。

3、模塊執行

模塊代碼有兩種執行的方式：

1. 編譯成可動態載入的module。並經過insmod來動態載入，接着進行初始化。

2. 靜態編譯連接進內核，在系統啓動過程當中進行初始化。

有些模塊是必須要編譯到內核。和內核一塊兒執行的。從不卸載，如vfs、platform_bus等等。

4、靜態連接和初始化

Make menuconfig時選擇將模塊編譯到內核即爲靜態連接，或者直接在makefile文件裏指定爲obj-y +=hello_module.o

1 module 宏展開

頭文件路徑：include/linux/init.h

//靜態編譯連接時未定義宏MODULE

#ifndef MODULE

typedef int (*initcall_t)(void);

#define __define_initcall(level,fn,id) \

static initcall_t __initcall_##fn##id __used \

__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn,6)

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

#define module_init(x) __initcall(x);

因此：

module_init(test_init)展開爲：

__initcall(test _init)->

device_initcall(test _init)->

__define_initcall("6", test _init,6)->

static initcall_t __initcall_test_init_6 __attribute__((__section__(".initcall6.init"))) = test_init;

便是定義了一個類型爲initcall_t的函數指針變量__initcall_test_init_6。並賦值爲test_init。該變量在連接時會連接到section(.initcall6.init).

2 linux 連接腳本

路徑 arch/arm/kernel/vmlinux.ld.S

#include <asm-generic/vmlinux.lds.h>

SECTIONS{

…

INIT_CALLS

…

}

路徑：include/ asm-generic/vmlinux.lds.h

#define INIT_CALLS \

VMLINUX_SYMBOL(__initcall_start) = .; \

INITCALLS \

VMLINUX_SYMBOL(__initcall_end) = .;

#define INITCALLS \

….

*(.initcall6.init) \

…

可見__initcall_test_init_6將會連接到section(.initcall6.init).

3 初始化

在linux啓動的第三個階段kernel_init的函數裏會調用：

路徑init/main.c

Kernel_init

do_basic_setup

do_initcalls

static void __init do_initcalls(void){

initcall_t *fn;

for (fn = __early_initcall_end; fn < __initcall_end; fn++)

do_one_initcall(*fn);

}

即取出函數指針__initcall_test_init_6的值並進行調用，即運行test_init。

5、動態連接載入和初始化

Make menuconfig時選擇將模塊編譯成模塊即爲動態連接。或者直接在makefile文件裏指定爲obj-m +=hello_module.o

編譯成模塊的命令是：

make –C $KERNEL_PATH M=$MODULE_PATH modules

即便用linux根文件夾下的makefile，運行該makefile下的modules僞目標。對當前模塊進行編譯。編譯的結果是可重定位文件，insmod載入時才完畢終於的連接動做。

1 Module 編譯選項

Linux根文件夾下的makefile定義了modules僞目標會用到的編譯選項。

//即定義宏MODULE，-D是GCC定義宏的語法。

MODFLAGS = -DMODULE

//GCC編譯模塊代碼時會用到該選項，即定義宏MODULE。這與在頭文件裏用#define MODULE是同樣的。

CFLAGS_MODULE = $(MODFLAGS)

2 Module_init 宏展開

頭文件路徑：include/linux/init.h

#ifndef MODULE /*編譯成module時定義了宏MODULE*/

#else /* MODULE obj-m*/

typedef int (*initcall_t)(void);

#define module_init(initfn) \

static inline initcall_t __inittest(void) \

{ return initfn; } \

int init_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));

__inittest不過爲了檢測定義的函數是否符合initcall_t類型，假設不是__inittest類型在編譯時將會報錯。因此真正的宏定義是：

#define module_init(initfn)

int init_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));

alias屬性是GCC的特有屬性，將定義init_module爲函數initfn的別名。因此module_init(test_init)的做用就是定義一個變量名init_module，其地址和test_init是同樣的。

3 Hello_module.mod.c

編譯成module的模塊都會本身主動產生一個*.mod.c的文件，Hello_module.mod.c的內容例如如下：

struct module __this_module

__attribute__((section(".gnu.linkonce.this_module"))) = {

.name = KBUILD_MODNAME,

.init = init_module,

#ifdef CONFIG_MODULE_UNLOAD

.exit = cleanup_module,

#endif

.arch = MODULE_ARCH_INIT,

};

即定義了一個類型爲module的全局變量__this_module，其成員init即爲init_module。也便是test_init.並且該變量會連接到section(".gnu.linkonce.this_module").

4 動態載入

insmod是busybox提供的用戶層命令：

路徑busybox/modutils/ insmod.c

insmod_main

bb_init_module

init_module

路徑busybox/modutils/modutils.c：

# define init_module(mod, len, opts) .\

syscall(__NR_init_module, mod, len, opts)

該系統調用相應內核層的sys_init_module函數。

路徑：kernel/module.c

SYSCALL_DEFINE3(init_module,…)

//載入模塊的ko文件，並解釋各個section，重定位

mod = load_module(umod, len, uargs);

//查找section(".gnu.linkonce.this_module")

modindex = find_sec(hdr, sechdrs, secstrings,

".gnu.linkonce.this_module");

//找到Hello_module.mod.c定義的module數據結構

mod = (void *)sechdrs[modindex].sh_addr;

if (mod->init != NULL)

ret = do_one_initcall(mod->init); //調用test_init.

模塊的傳參、符號導出、模塊依賴等機制之後再另文描寫敘述