Linux内核模块开发入门

# 1. Linux内核模块开发概述

Linux内核模块是动态加载到内核中的代码片段，允许在不重新编译整个内核的情况下添加或移除功能。它对系统扩展性和硬件支持至关重要。模块化的设计让Linux内核可以适应各种复杂和变化多端的计算环境。

## 1.1 为什么需要内核模块
随着技术的快速发展，硬件设备和系统功能越来越多，传统静态内核无法满足这些需求。内核模块使得硬件驱动、文件系统等组件可以动态添加或卸载，从而增强了系统的灵活性和可扩展性。

## 1.2 内核模块的优势
内核模块的主要优势包括：
- **模块化**：将功能分解为小模块，便于管理和升级。
- **优化资源使用**：仅加载需要的模块，节省内存和存储空间。
- **灵活性**：支持即插即用（Plug and Play）设备，自动加载对应模块。

内核模块开发涉及对Linux内核API的理解、内核编程技术的应用，以及对系统整体架构的考量。这一章将为读者提供一个概览，为深入了解Linux内核模块开发打下基础。

# 2. Linux内核模块基础

## 2.1 内核模块的结构

### 2.1.1 模块初始化和退出函数

Linux内核模块编程中，初始化函数是模块被加载时调用的入口点，通常命名为`init_module`，它在模块插入内核时被`insmod`命令调用，负责模块的主要初始化工作。相对应地，退出函数则是模块被卸载时调用的出口点，命名为`cleanup_module`，它在`rmmod`命令执行时被调用，用于执行模块的清理工作。

初始化函数的定义通常如下：

int init_module(void)
{
    // 初始化代码
    printk(KERN_INFO "Module loaded\n");
    return 0; // 成功返回0
}

退出函数的定义通常如下：

void cleanup_module(void)
{
    // 清理代码
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

在这两个函数中，`printk`函数用于向内核日志缓冲区写入信息。`KERN_INFO`是一个日志级别，它用于指定消息的严重性级别。

### 2.1.2 模块参数和依赖

Linux内核模块可以有模块参数，这些参数可以在加载模块时动态指定，为模块的配置提供了灵活性。模块参数的定义使用`module_param`宏，该宏的定义方式如下：

module_param(name, type, perm);

其中，`name`是参数名称，`type`是参数类型（如`int`, `charp`等），`perm`是文件系统的权限，如`0644`。

例如，定义一个整型的模块参数`example_param`：

static int example_param = 1;
module_param(example_param, int, S_IRUGO);

在上述代码中，`example_param`可以被用户通过`insmod`命令行参数来设置，而`S_IRUGO`表示其他用户有读权限。

模块依赖是指模块加载时，确保它所依赖的其他模块已经加载到内核中。依赖关系在模块的许可证声明之前声明。例如，如果模块依赖于`usbcore`模块，声明方式如下：

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple module");
MODULE_DEPENDS("usbcore");

在上述代码中，`MODULE_DEPENDS`宏确保`usbcore`模块在本模块之前加载。

## 2.2 模块编程基础

### 2.2.1 内核空间与用户空间的区别

在Linux操作系统中，内存空间被划分为用户空间和内核空间。用户空间是用户程序运行的区域，而内核空间则是操作系统内核运行的区域。内核模块编程属于内核空间编程，与用户空间编程有显著不同。

**内核空间编程的特点包括：**

1. **直接访问硬件** - 内核可以无限制地访问硬件资源。
2. **无保护机制** - 用户空间程序的错误不会影响整个系统，但内核空间的错误会导致系统崩溃。
3. **抢占式** - 内核代码可以被其他更高优先级的内核代码抢占。
4. **延迟和阻塞** - 内核操作需要考虑可能的阻塞和延迟问题，避免产生系统级的问题。

在内核编程时，开发者必须密切注意这些差异，确保编写出稳定且高效的代码。

### 2.2.2 内核内存分配与释放

内核内存的分配与释放与用户空间有所不同，内核提供了专门的函数来管理内存。主要的内核内存分配函数包括：

- `kmalloc` - 类似于C标准库中的`malloc`函数，用于分配内存。
- `kfree` - 用于释放由`kmalloc`分配的内存。
- `vmalloc` - 用于分配大块连续内存，通常用于分配页大小的内存。

内存分配函数的使用示例如下：

void* mem = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (mem == NULL) {
    // 内存分配失败的处理
}
// 使用内存...

// 释放内存
kfree(mem);

其中`GFP_KERNEL`标志表示分配是在内核空间中进行，可能睡眠等待资源，适用于当前进程可以睡眠的场景。

### 2.2.3 内核宏和内核数据结构

Linux内核提供了许多专用宏和数据结构，它们用于简化内核编程和保证内核代码的可移植性。一些常用的宏包括：

- `printk` - 内核消息打印函数。
- `container_of` - 获取结构体成员的地址。
- `DECLARE_MUTEX` 和 `down` / `up` - 用于内核同步的信号量。

内核数据结构包括用于管理设备驱动的`struct cdev`，用于网络套接字的`struct sock`，等等。

在编程实践中，理解并正确使用这些宏和数据结构是编写稳定和高效内核模块的关键。

## 2.3 模块的编译和加载

### 2.3.1 Makefile编写要点

Linux内核模块的编译是通过Makefile文件管理的。编写Makefile的关键是确保编译系统能找到正确的内核头文件和链接到内核对象。一个简单的Makefile结构如下：

obj-m += mymodule.o

all:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

上述Makefile中：

- `obj-m`指定了要编译成模块的目标文件。
- `all`目标调用内核的构建系统来编译模块。
- `clean`目标用于清除编译生成的文件。

正确编写Makefile是确保模块顺利编译的关键。

### 2.3.2 insmod, modprobe, rmmod的使用

在Linux系统中，加载和卸载内核模块的常用工具是`insmod`、`modprobe`和`rmmod`。

- `insmod`直接插入指定的模块文件到内核中，不处理模块依赖关系。
- `modprobe`不仅插入模块，还会处理模块间的依赖关系，并自动加载依赖的模块。
- `rmmod`用于从内核中移除已经加载的模块。

这三个命令的使用示例如下：

sudo insmod mymodule.ko
sudo modprobe mymodule
sudo rmmod mymodule

其中`.ko`是内核模块的文件扩展名，代表kernel object。使用`modprobe`时，它会查找`/etc/modprobe.d`目录下的配置文件以及`/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep`文件来解析依赖。

**重要提示**：只有正确加载模块依赖后，模块才能正常工作。在编写模块时，合理地声明依赖关系是至关重要的。

# 3. Linux内核模块深入实践

## 3.1 字符设备驱动开发
### 3.1.1 字符设备驱动框架
字符设备驱动程序是Linux内核模块开发中的一种，它专门用于管理与字符相关的设备。这些设备通常以字符为单位进行数据传输，例如键盘、鼠标、串口等。在Linux内核中，字符设备驱动通常需要实现以下几个关键组件：

- 设备号（Major and Minor numbers）：每个字符设备都有一个唯一的设备号，其中主设备号（Major）用于标识驱动程序，而次设备号（Minor）则用于标识具体设备。
- 文件操作接口（File Operations）：这些接口定义了字符设备的行为，如打开、关闭、读写等操作。
- 设备注册和注销函数（Registration and Unregistration）：驱动程序需要在加载时注册设备，卸载时注销设备。

为了管理这些组件，Linux内核提供了相应的数据结构和API。在编写字符设备驱动时，开发人员需要熟悉这些API的使用，并合理组织代码结构。

### 3.1.2 文件操作接口的实现
实现字符设备驱动的关键之一是定义一系列文件操作接口函数，这些函数与我们在用户空间使用open(), read(), write()等系统调用直接相关。这些接口函数被定义在file_operations结构体中，例如：

static const struct file_operations mychardev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .op