操作系统基础 | 4.5 内核数据结构-内核模块

发表于 更新于 分类于

Linux 内核模块开发简介

设备类型分类

类型 缩写 访问方式 典型设备 特殊文件
块设备 blkdevs 按块随机访问（支持寻址） 硬盘/SSD/光驱 /dev/sda1
字符设备 cdevs 字节流顺序访问 键盘/打印机/伪设备 /dev/ttyS0
网络设备 - 套接字API（破坏"一切皆文件"原则） 网卡/无线适配器 无设备节点
混杂设备 miscdevs 字符设备简化形式 简单专用设备 /dev/random 等

伪设备示例： 

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/dev/random   # 内核随机数生成器
/dev/null     # 空设备（丢弃所有写入）
/dev/zero     # 零设备（提供无限\0字节）
/dev/full     # 满设备（写入总返回ENOSPC错误）
/dev/mem      # 物理内存访问设备

内核模块开发

Hello World 模块示例

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#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

/* 模块加载时执行 */
static int __init hello_init(void) 
{
    printk(KERN_INFO "I bear a charmed life.\n"); 
    return 0;  // 返回0表示成功
}

/* 模块卸载时执行 */
static void __exit hello_exit(void) 
{
    printk(KERN_INFO "Out, out, brief candle!\n");
}

/* 注册入口/出口函数 */
module_init(hello_init);  // 不是函数调用，而是宏定义
module_exit(hello_exit);

/* 模块元信息 */
MODULE_LICENSE("GPL");                  // 必须声明许可证
MODULE_AUTHOR("Shakespeare");           // 作者信息
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Module"); // 模块描述

关键机制解析

  1. 入口函数：
    • 形式：int init_func(void)
    • 职责：注册资源/初始化硬件/分配数据结构
    • 返回值：0=成功，非0=失败
  2. 出口函数：
    • 形式：void exit_func(void)
    • 职责：释放资源/复位硬件/清理状态
  3. 许可证声明： 
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    MODULE_LICENSE("GPL");  // 合法选项：GPL/MIT/BSD等
    • 非GPL模块会导致内核标记为"tainted"
    • 无法调用GPL-only符号

模块构建指南

集成到内核源码树（推荐）

  1. 选择路径：
    • 字符设备 → drivers/char/
    • 块设备 → drivers/block/
    • USB设备 → drivers/usb/
  2. 修改Makefile： 
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    # drivers/char/Makefile 添加
    obj-$(CONFIG_FISHING_POLE) += fishing/

    # drivers/char/fishing/Makefile 内容
    obj-$(CONFIG_FISHING_POLE) += fishing.o
    fishing-objs := main.o line.o  # 多文件模块
    EXTRA_CFLAGS += -DTITANIUM_POLE  # 自定义编译标志

外部独立构建

  1. Makefile示例： 

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    obj-m := fishing.o
    fishing-objs := fishing-main.o fishing-line.o

    all:
        make -C /path/to/kernel/source M=$(PWD) modules

  2. 构建命令： 

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    # 在模块目录执行
    make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$PWD modules
    ### 模块管理

模块安装路径规范

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# 标准安装路径模板
/lib/modules/$(uname -r)/kernel/<源码树路径>/<模块名>.ko

# 示例：2.6.34内核的钓鱼竿模块
/lib/modules/2.6.34/kernel/drivers/char/fishing.ko

安装命令： 

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sudo make modules_install  # 需root权限

模块依赖管理

1. 依赖关系生成

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# 生成完整依赖关系
sudo depmod

# 增量更新（仅处理新模块）
sudo depmod -A

2. 依赖存储位置

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# 依赖关系文件路径
/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep

# 文件内容示例
kernel/drivers/char/fishing.ko: kernel/drivers/net/bait.ko

智能加载原理：
当加载 chum.ko 时，系统自动解析其依赖并先加载 bait.ko

模块加载与卸载

基础工具（不推荐）

操作 命令 缺陷 示例
加载 insmod module.ko 无依赖解析 insmod fishing.ko
卸载 rmmod module_name 不检查依赖 rmmod fishing

高级工具（推荐）

1. 智能加载： 

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# 加载模块（自动处理依赖）
sudo modprobe fishing pole_length=300 material=titanium

# 查看加载的模块
lsmod | grep fishing

2. 安全卸载： 

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# 卸载模块（自动移除未用依赖）
sudo modprobe -r fishing

# 强制卸载（危险！）
sudo modprobe -rf fishing  # 可能破坏依赖树

内核配置与模块开发高级指南

配置选项管理 (Kconfig)

linux使用kbuild系统，可以通过修改Kconfig文件便捷地管理配置选项 

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# drivers/char/Kconfig 示例
config FISHING_POLE
    tristate "Fish Master 3000 support"  # 三态选项，表示模块在编译配置中可以内置编译到内核（Y），作为模块编译（M）或者不编译（N）
    default n                            # 默认禁用
    depends on FISH_TANK && !NO_FISHING  # 依赖条件
    select BAIT                          # 强制关联选项
    help                                 # 帮助文档
        Enable support for the Fish Master 3000 computer interface.
        Choose Y to build into kernel, M for module (fishing.ko), or N to disable.

核心指令解析： | 指令 | 功能 | 示例 | |----------------|----------------------------------|-----------------------------------| | tristate | 三态选项 (Y/M/N) | 驱动标准配置 | | bool | 布尔选项 (Y/N) | 特性开关 | | default | 默认值 | default y 默认启用 | | depends on | 依赖关系 | depends on NET 需网络支持 | | select | 强制启用其他选项 | select CRC32 自动启用CRC校验 | | if | 条件显示 | if EMBEDDED 嵌入式场景可见 | | help | 帮助文档 | 用户配置时的说明文本 |

模块参数系统

1. 基础参数声明

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static int pole_length = 200;  // 默认值
module_param(pole_length, int, 0644);  // 整型参数
MODULE_PARM_DESC(pole_length, "Pole length in cm");

2. 高级参数类型

类型 说明 示例
charp 字符串指针 module_param(name, charp, 0);
bool 布尔值 module_param(enable, bool, 0);
module_param_string 直接复制到数组 char target[32]; module_param_string(dest, target, sizeof(target), 0);
module_param_array 数组参数 int ids[5]; int count; module_param_array(ids, int, &count, 0);

3. 参数传递方式

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# 加载时指定参数
sudo modprobe fishing pole_length=300 material=carbon

# 查看参数信息
modinfo fishing
parm:           pole_length:Pole length in cm (int)
parm:           material:Construction material (charp)

4. sysfs集成

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# 参数自动暴露到sysfs
/sys/module/fishing/parameters/pole_length  # 权限0644=rwr--r--

符号导出机制

1. 基础导出

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// 声明可被模块调用的函数
int get_pole_strength(struct pole *p) {
    return p->load_capacity;
}
EXPORT_SYMBOL(get_pole_strength);  // 全局导出

2. GPL受限导出

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EXPORT_SYMBOL_GPL(calculate_bait_ratio);  // 仅GPL模块可用

3. 导出规则

导出类型 调用权限 典型场景
EXPORT_SYMBOL 所有模块 通用内核API
EXPORT_SYMBOL_GPL 仅GPL许可证模块 核心子系统接口
未导出符号 仅内核内部使用 静态函数/私有实现

配置系统元选项

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config EXPERIMENTAL
    bool "Enable experimental features"  # 高风险功能开关
    default n

config DEBUG_KERNEL
    bool "Kernel debugging"  # 调试选项总开关
    default y if DEBUG

关键元选项： - CONFIG_EMBEDDED：嵌入式系统优化选项 - CONFIG_BROKEN_ON_SMP：标记非SMP安全驱动 - CONFIG_EXPERIMENTAL：实验性功能入口

开发工作流示例

1. 添加新驱动

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# 创建Kconfig
# drivers/char/fishing/Kconfig
config FISHING_PRO
    tristate "Professional Fishing Module"
    select FISHING_ADVANCED
    help
      Support for professional-grade fishing equipment

# 修改上级Kconfig
# drivers/char/Kconfig
source "drivers/char/fishing/Kconfig"

2. 实现参数化模块

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#include <linux/moduleparam.h>

static char material[20] = "fiberglass";
module_param_string(material, material, sizeof(material), 0644);

static int lengths[] = {180, 240};
static int nr_lengths = 2;
module_param_array(lengths, int, &nr_lengths, 0444);

static bool enable_ai;
module_param(enable_ai, bool, 0644);

3. 编译验证

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# 配置内核
make menuconfig
# -> Device Drivers -> Character devices -> Professional Fishing Module (M)

# 编译安装
make -j$(nproc) modules
sudo make modules_install

生产环境最佳实践

  1. 参数安全： 

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    static int max_load = 100;
    module_param(max_load, int, 0644);

    static int __init init_func(void) {
        if (max_load > MAX_SAFE_LIMIT) {
            pr_warn("Dangerous load limit %d, capping at %d\n", 
                    max_load, MAX_SAFE_LIMIT);
            max_load = MAX_SAFE_LIMIT;
        }
    }

  2. 版本兼容： 

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    #include <linux/version.h>

    #if LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(5,15,0)
    // 新版内核API
    #else
    // 旧版兼容实现
    #endif

  3. 错误处理： 

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    int err = register_device();
    if (err) {
        // 彻底回滚初始化
        unregister_previous();
        return err;
    }

性能提示：高频访问的模块参数应复制到局部变量，避免频繁查sysfs