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内核模块编程之入门(二)—必备知识

作者:  时间: 2010-12-22

模块编程属于内核编程,因此,除了对内核相关知识有所了解外,还需要了解与模块相关的知识。

1.应用程序与内核模块的比较
为了加深对内核模块的了解,表一给出应用程序与内核模块程序的比较。
表一 应用程序与内核模块程序的比较

 C语言应用程序内核模块程序
使用函数Libc内核函数
运行空间用户空间内核空间
运行权限普通用户超级用户
入口函数main()module_init()
出口函数exit()module_exit()
编译Gcc –cMakefile
连接Gccinsmod
运行直接运行insmod
调试Gdbkdbug, kdb,kgdb

从表一我们可以看出,内核模块程序不能调用libc库中的函数,它运行在内核空间,且只有超级用户可以对其运行。另外,模块程序必须通过module_init()module-exit()函数来告诉内核“我来了”和“我走了”。

2内核符号表(如果对以下第2~4点理解上有困难,可以越过

如 前所述,Linux内核是一个整体结构,像一个圆球,而模块是插入到内核中的插件。尽管内核不是一个可安装模块,但为了方便起见,Linux把内核也看作 一个“母”模块。那么模块与模块之间如何进行交互呢,一种常用的方法就是共享变量和函数。但并不是模块中的每个变量和函数都能被共享,内核只把各个模块中 主要的变量和函数放在一个特定的区段,这些变量和函数就统称为符号。到低哪些符号可以被共享? Linux内核有自己的规定。对于内核这个特殊的母模块,在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号,例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下:

/* 进程管理 */

EXPORT_SYMBOL(do_mmap_pgoff);

EXPORT_SYMBOL(do_munmap);

EXPORT_SYMBOL(do_brk);

EXPORT_SYMBOL(exit_mm);

EXPORT_SYMBOL(schedule);

EXPORT_SYMBOL(jiffies);

EXPORT_SYMBOL(xtime);

你可能对这些变量和函数已经很熟悉。其中宏定义EXPORT_SYMBOL()本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢?因为这些符号本来是内核内部的符号,通过这个宏放在一个公开的地方,使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。

实际上,仅仅知道这些符号的名字是不够的,还得知道它们在内核地址空间中的地址才有意义。因此,内核中定义了如下结构来描述模块的符号:

struct module_symbol

{

unsigned long value; /*符号在内核地址空间中的地址*/

const char *name; /*符号名*/

};

我们可以从/proc/ksyms文件中读取所有内核模块“移出”的符号,这所有符号就形成内核符号表,其格式如下:

内存地址 符号名 [所属模块]

在模块编程中,可以根据符号名从这个文件中检索出其对应的地址,然后直接访问该地址从而获得内核数据。第三列“所属模块”指符号所在的模块名,对于从内核这一母模块移出的符号,这一列为空。

模块加载后,2.4内核下可通过 /proc/ksyms、 2.6 内核下可通过/proc/kallsyms查看模块输出的内核符号

3模块依赖

如前所述,内核符号表记录了所有模块可以访问的符号及相应的地址。当一个新的模块被装入内核后,它所申明的某些符号就会被登记到这个表中,而这些符号可能被其他模块所引用,这就引出了模块依赖这个问题。

一个模块A引用另一个模块B所移出的符号,我们就说模块B被模块A引用,或者说模块A依赖模块B。如果要链接模块A,必须先链接模块B。这种模块间相互依赖的关系就叫模块依赖。

4.模块引用计数器

为 了确保模块安全地卸载,每个模块都有一个引用计数器。当执行模块所涉及的操作时就递增计数器,在操作结束时就递减这个计数器;另外,当模块B被模块A引用 时,模块B的引用计数就递增,引用结束,计数器递减。什么时候可以卸载这个模块?当然只有这个计数器值为0的时候,例如,当一个文件系统还被安装在系统上 时就不能将其卸载,当这个文件系统不再被使用时,引用计数器就为0,于是可以卸载。

四.模块编译

Linux 中最重要的软件开发工具是 GCCGCC  GNU  C  C++ 编译器。但是,在大型的开发项目中,通常有几十到上百个的源文件,如果每次均手工键入 gcc 命令进行编译的话,则会非常不方便。因此,人们通常利用 make 工具来自动完成编译工作。利用这种自动编译可大大简化开发工作,避免不必要的重新编译。这些工作包括:如果仅修改了某几个源文件,则只重新编译这几个源文件;如果某个头文件被修改了,则重新编译所有包含该头文件的源文件。

1.编译工具make

实际上,make 工具通过一个称为 Makefile 的文件来完成并自动维护编译工作。Makefile 需要按照某种语法进行编写,其中说明了如何编译各个源文件并连接生成可执行文件,并定义了源文件之间的依赖关系。下面给出2.6 内核模块的Makefile模板(请参看Makefile的写法)

 

# Makefile2.6
obj-m += hellomod.o        # 产生hellomod 模块的目标文件
CURRENT_PATH := $(shell pwd)   #模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)    #Linux内核源代码的当前版本
LINUX_KERNEL_PATH := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL) #Linux内核源代码的绝对路径
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules   #编译模块了
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean    #清理

注意: 在每个命令前(例如make命令前)要键入一个制表符(按TAB键产生)

有了Makefile,执行make命令,会自动形成相关的后缀为.o和.ko文件。
到此,模块编译好了,该把它插入到内核了:

如:$insmod hellomod.ko

  当然,要以系统员的身份才能把模块插入。

  成功插入后,可以通过dmesg命令查看,屏幕最后几行的输出就是你程序中输出的内容:Hello,World! from the kernel space…

 
当模块不再需要时,可以通过rmmod命令移去,例如

$rmmod hellomod


modutils是管理内核模块的一个软件包。可以在任何获得内核源代码的地方获取Modutils(modutils-x.y.z.tar.gz)源代码,然后选择最高级别的patch.x.y.z等于或小于当前的内核版本,安装后在/sbin目录下就会有insomodrmmodksymslsmodmodprobe等实用程序。当然,通常我们在加载Linux内核时,modutils已经被载入。
1Insmod命令
调用insmod程序把需要插入的模块以目标代码的形式插入到内核中。在插入的时候,insmod自动调用init_module()函数运行。注意,只有超级用户才能使用这个命令,其命令格式为:
# insmod  [path] modulename.c
2. rmmod命令
调用rmmod程序将已经插入内核的模块从内核中移出,rmmod会自动运行cleanup_module()函数,其命令格式为:
#rmmod  [path] modulename.c
3lsmod命令
调用lsmod程序将显示当前系统中正在使用的模块信息。实际上这个程序的功能就是读取/proc文件系统中的文件/proc/modules中的信息,其命令格式为:
#lsmod
4ksyms命令
ksyms这个程序用来显示内核符号和模块符号表的信息。与lsmod相似,它的功能是读取/proc文件系统中的另一个文件/proc/kallsyms