Linux：32/64位程序（應用程序、共享庫、內核模塊）

摘要：
Linux系統區分32/64位，相應地，應用程序、共享庫和內核模塊也區分32/64位。
本文以Ubuntu系統爲例，介紹如何編譯和使用32/64位的應用程序、共享庫和內核模塊。

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1. 應用程序

要點：

1. 使用gcc編譯器的-m32和-m64選項指定編譯成32位或64位應用程序，編譯時須要使用32/64位庫，所以編譯前須要安裝對應的庫。
2. 在64位系統上，能夠執行64位和32位應用程序。在32位系統上，只能執行32位應用程序，不能執行64位應用程序。

1.1 64位系統上編譯應用程序

在64位系統上，gcc默認編譯成64位程序，但能夠編譯32位程序，須要安裝32位庫。

安裝32位庫 ：sudo apt-get install lib32readline-gplv2-dev
編譯32位程序：gcc -m32 t1.c

1.2 32位系統上編譯應用程序

在32位系統上，gcc默認編譯32位程序，但能夠編譯64位程序，須要安裝64位庫。

安裝64位庫：sudo apt-get install lib64readline-gplv2-dev
編譯64位程序：gcc -m64 t1.c

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2. 共享庫（so）

要點：

1. 可使用gcc的-m32和-m64選擇編譯32位或64位共享庫（so）。
2. 64位應用程序只能調用64位共享庫，32位應用程序只能調用32位共享庫。

參考：http://blog.csdn.net/wsl888444/article/details/8289056

2.1 編寫共享庫

// test.h  共享庫接口文件
#ifndef _TEST_H_  
#define _TEST_H_ 
void test( int x );
#endif

// test.c  共享庫實現文件
#include <stdio.h>  
void test( int x ) 
{
    printf( "hello, I'm libtest.so %d\n", x );
    return;
}

2.2 編譯共享庫

gcc test.c -fPIC -shared -o libtest.so [ -m32 | -m64 ]

選項	說明
-fPIC	表示編譯爲位置獨立的代碼。若是不用此選項，編譯後的代碼是位置相關的，則動態載入時是經過代碼拷貝的方式來知足不一樣進程的須要，不能達到代碼段共享的目的。
-shared	表示編譯成共享庫
-m32 或 -m64	選擇編譯32位或64位共享庫

2.3 使用共享庫

2.3.1 編譯應用程序時使用共享庫

// t1.c  應用程序
#include "test.h"  
int main( ) 
{
    test( 99 );
    return 0;
}

編譯程序：
gcc t1.c -L . -l test -o t1 [ -m32 | -m64 ]

選項	說明
-L	指明共享庫所在的目錄
-l	指明共享庫的名稱，該名稱是處在頭lib 和後綴.so 中的名稱。例如上面共享庫libtest.so，則參數爲 -l test 。

查看應用程序依賴的共享庫： ldd t1
查看目標文件中定義的符號： nm t1

執行程序：

1. 建立共享庫文件的軟連接：進入/usr/lib目錄，建立到共享庫的軟連接。
   例如共享庫是/home/test/libtest.so，則命令是 ln -s /home/test/libtest.so libtest.so
2. 執行應用程序： ./t1

2.3.2 動態加載方式使用共享庫

// t2.c  應用程序
int main( )
{  
    void  *handle = NULL; 
    void (*test)( int x ); 

    handle = dlopen( "./libtest.so", RTLD_LAZY ); 
    if ( handle == NULL )
    {
        printf( "dll loading error.\n" );
        return 0;
    }

    test =  ( void(*)( int ) )dlsym( handle, "test" );
    if ( test == NULL )
    {
        printf( "%s: dlsym: '%s'\n", "test", dlerror() );
        return 0;
    }
    
    test( 99 );  
    
    return 0;
}

編譯程序：
gcc -ldl test1.c –o test [ -m32 | -m64 ]

選項	說明
-ldl	使用共享庫相關函數需使用該參數

程序說明：
使用C++時，so的頭文件中聲明前要加 extern "C"，才能正確獲取函數地址。不然，在dlsym可能產生錯誤：找不到函數（undefined symbol）。 test.h 中聲明如： extern "C" void test( int x );

2.4 混合使用32/64位應用程序和共享庫

問題： 32/64位應用程序是否能夠調用64/32位共享庫？

回答： 64位應用程序只能調用64位共享庫，32位應用程序只能調用32位共享庫。

參考：
http://cboard.cprogramming.com/linux-programming/113856-loading-32-bit-library-into-64-bit-linux-program.html
http://stackoverflow.com/questions/10039401/use-32bit-shared-library-from-64bit-application

解決方法：

1. 方法一：編譯使應用程序和共享庫的位數相同
2. 方法二：作一個與共享庫位數相同的中間程序，用於調用共享庫；應用程序與中間程序通訊，間接調用共享庫。參考個人另外一篇文章：《Linux：使用rpcgen實現64位程序調用32位庫函數》

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3 內核模塊（ko）

要點:

1. 編譯內核模塊時，根據使用的內核頭文件，決定生成的是32位或64位內核模塊ko。
2. 內核模塊ko的運行不只要求對應的Linux內核位數正確，並且要求Linux內核版本與編譯內核模塊時使用的內核頭文件版本一致。

參考：http://blog.csdn.net/gavin_dinggengjia/article/details/6307080

3.1 什麼是內核模塊？

內核模塊的全稱是 Loadable Kernel Module（LKM， 動態可加載內核模塊），它是Linux內核向外部提供的一個插口。

內核模塊是具備獨立功能的程序，一般由一組函數和數據結構組成，用來實現一種文件系統、一個驅動程序，或其它內核上層的功能。

內核模塊能夠被單獨編譯，運行時被連接到內核，做爲內核的一部分在內核空間運行，這與運行在用戶空間的進程不一樣。下表比較了應用程序與內核模塊的差異。

項目	C語言應用程序	內核模塊
使用函數	libc庫	內核函數
運行空間	用戶空間	內核空間
入口函數	main()	module_init()
出口函數	exit()	module_exit()
編譯	gcc -c	Makefile
鏈接	gcc	insmod
運行	直接運行	insmod
調試	gdb	kdbug、kdb、kgdb

從表中能夠看出，內核模塊不能調用 libc 庫函數，它運行在內核空間，只有超級用戶能夠對其運行。
另外，內核模塊程序必須經過 module_init() 和 module_exit() 函數來告訴內核「我來了」和「我走了」。

3.2 編寫一個簡單的內核模塊

內核模塊和內核都在內核空間運行，內核模塊編程在必定意義上說就是內核編程。
由於內核版本的每次變化，其中的某些函數名也會相應地發生變化，所以內核模塊編程與內核版本密切相關。

1. 內核模塊代碼

// hello.c  內核模塊代碼
#include "linux/init.h"       // 包含宏_init和_exit
#include "linux/kernel.h"     // 包含經常使用的內核函數
#include "linux/module.h"     // 全部模塊都要用到

static int __init hello_init( void )
{  
    printk( KERN_ALERT "Hello world!\n" );  
    return 0;  
}  

static void __exit hello_exit( void )
{ 
    printk(KERN_ALERT "Goodbye!\n");  
}  

module_init( hello_init );  
module_exit( hello_exit );  

MODULE_LICENSE( "GPL" );  
MODULE_AUTHOR( "ddk" );  
MODULE_DESCRIPTION( "hello" );

函數	說明
module_init	內核模塊初始化的入口點
module_exit	註銷由內核模塊提供的全部功能
hello_init	內核模塊初始化函數
hello_exit	內核模塊的退出清理函數，可作終止該內核模塊相關的清理工做。
printk	內核定義的函數，功能與printf相似，printk把要打印的信息輸出到終端或系統日誌。

2. Makefile

# Makefile
obj-m:=hello.o  
KERNELBUILD:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build 
default:
    make -C $(KERNELBUILD) M=$(shell pwd) modules
clean:
    rm -rf *.o *.ko *.mod.c .*.cmd *.markers *.order *.symvers .tmp_versions

選項	說明
obj-m	決定過了內核模塊的名稱和生成的ko文件名
KERNELBUILD	編譯內核模塊須要的內核源代碼文件目錄
M	內核模塊代碼目錄
make -C ......	編譯內核模塊。-C 將工做目錄轉到KERNELBUILD，調用該目錄下的Makefile，並向這個Makefile傳遞參數M的值是$(shell pwd) modules。

關於KERNELBUILD的說明：
（1）若是爲Linux發行版（例如Ubuntu、CentOS等）編譯內核模塊，則能夠直接從發行版目錄 /usr/src 中獲取這個目錄，通常是 /usr/src/linux-headers-* 。這個目錄區分32位和64位。
（2）若是爲Linux標準內核（從 https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 獲取）編譯內核模塊，則須要先編譯Linux標準內核，而後使用 /usr/src 中的編譯後對應目錄。Linux標準內核源代碼不區分32位和64位，但編譯時區分編譯爲32位或64位。編譯和安裝Linux標準內核，請參考：http://blog.csdn.net/ddk3001/article/details/50276347
（3）編譯出的內核模塊ko是32位或64位由下面決定：一、使用的內核源代碼目錄是32位或64位；二、編譯時make命令中指定 ARCH=i386 或 ARCH=x86_64 。
（4）cat hello.ko能夠查看內核模塊要在哪一個Linux內核版本中運行。

3. 編譯和使用內核模塊

功能	命令	說明
編譯模塊	make	執行第一個目標default，生成hello.ko，這個就是咱們須要的內核模塊。
編譯清理	make clean	清理編譯產生的文件，hello.ko 也會清理掉。
插入模塊	sudo insmod ./hello.ko	用dmesg就能夠看到產生的內核信息，Hello world! 內核消息也會輸出到日誌文件/var/log/kern.log中。
卸載模塊	sudo rmmod hello	用dmesg能夠看到Goodbye!

3.3 modutils軟件包

modutils是管理內核模塊的一個軟件包，安裝後在/sbin目錄下就會有insomod、rmmod、lsmod等實用程序。一般在加載Linux內核時，modutils已經被載入。

命令	說明
insmod	調用insmod程序把須要插入的模塊以目標代碼的形式插入到內核中。在插入的時候，insmod自動調用module_init()函數運行。
rmmod	調用rmmod程序將已經插入內核的模塊從內核中移出。rmmod會自動運行module_exit()函數。
lsmod	調用lsmod程序將顯示當前系統中正在使用的模塊信息。實際上這個程序的功能就是讀取/proc/modules中的信息。
modinfo	顯示一個模塊的相關信息。
depmod	生成可載入模塊的依賴性文件，供modprobe在安裝模塊時使用。
modprobe	modprobe 和 insmod 都是載入內核模塊，差異是 modprobe 可以自動處理模塊載入的依賴問題。modprobe 使用depmod生成的依賴性文件，從預約義目錄樹的一套模塊中自動載入相關模塊。