《linux内核设计与分析》内核模块编程

Posted 2020-07-11

一、实验环境

虚拟机：VMware Workstation 12.0；

操作系统：ubuntu16.04（32位）；

当前内核版本：4.4.0-21-generic

 

二、知识储备

    现在，先让我们了解一下什么是内核模块：

    模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或其他内核上层的功能。

    比较一下应用程序和内核模块的差别:

    接下来，让我们先写一个小程序，以这个作为起点，来探索如何编写内核模块：

hello.c
 1 #include <linux/module.h>
 2 #include <linux/kernel.h>
 3 #include <linux/init.h>
 4 /* 必要的头文件*/
 5 
 6 static int __init hello_init( void )
 7 {
 8      printk(“Hello,World! \\n”);
 9      return 0;
10  }
11 
12 static void __exit hello_exit( void )
13 {
14 printk(“Finish！\\n”); 
15 }
16 module_init(lkp_init);
17 module_exit(lkp_cleanup);
18 
19 MODULE_LICENSE(“GPL”);

 

简单的分析一下：

第1行：linux/module.h是必要的头文件，内核模块代码中必须包含。

第2行：linux/kernel.h包含了常用的内核函数。

第3行：linux/init.h含了宏_init和_exit，它们允许释放内核占用的内存。

第6行：hello_init()函数是模块的入口点，是模块的初始化函数，它必需包含诸如要编译的代码、初始化数据结构等内容。它通过module_init()例程注册到系统中，在内核装载时被调用。模块的所有初始化函数必须符合这样的形式：int xx_init(void);因为init函数通常不会被外部函数直接调用，所以你不必导出该函数，故它可标记为static。Init函数会返回一个int型数值，如果初始化顺利完成，那么它的返回值为0；否则返回一个非零值。

第8行：Printk的功能类似于C语言中的printf，这个函数是由内核定义的。

第12行：hello_exit()函数是模块的出口函数，它有module_exit()例程注册到系统。在模块从内核卸载时，内核就会调用hello_exit()。退出函数可能会在返回前负责清理资源，以保证硬件处于一致状态；或者做其他的一些操作。退出函数必须符合这样的形式：void xx_exit(void),也可以标记为static。

第16/17行：函数module_init()和cleanup_exit()是模块编程中最基本也是必须的两个函数。调用module_init()不是真正的函数调用，而是一个宏调用，它唯一的参数便是模块的初始化函数。Module_exit()同，唯一的参数是出口函数。

第19行：MODULE_LICENSE(“GPL”)；宏用于指定模块的版权。

   

    代码已经有了，但是我们并不用编译c代码的方式gcc来编译它，因为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。Makefile写法如下：

1 obj-m:=hello.o  //产生hello模块的目标文件
2 CURRENT_PATH:=$(shell pwd)//模块所在的当前路径
3 LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-4.4.0-21-generic//linux内核源代码的绝对路径
4 all:
5     make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules //编译模块
6 clean:
7     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。

 

备注：如何查看你的内核版本？

命令：uname –a

 

 

模块编译好后，将它插入内核：(需要root权限)

insmod hello.ko

 

输入dmesg可以查看程序的输出。

dmesg

 

当不需要模块时，对模块进行卸载：

rmmod hello

 

 

三、进阶模块

学姐的代码，可以直接运行，功能是输出当前进程的相关信息。

代码：1.c

 1 #include<linux/init.h>
 2 #include<linux/module.h>
 3 #include<linux/kernel.h>
 4 #include<linux/sched.h>
 5 
 6 static struct task_struct *pcurrent;
 7 static int __init print_init(void)
 8 {
 9     printk(KERN_INFO "print current task info\\n");
10     printk("pid\\ttgid\\tprio\\tstate\\n");
11     for_each_process(pcurrent){
12         printk("%d \\t",pcurrent->pid);
13         printk("%d \\t",pcurrent->tgid);
14         printk("%d \\t",pcurrent->prio);
15         printk("%ld \\n",pcurrent->state);
16     }
17     return 0;
18 }
19 static void __exit print_exit(void)
20 {
21     printk(KERN_INFO "Finished\\n");
22 }
23 module_init(print_init);
24 module_exit(print_exit);

 

Makefile文件：

 

1 obj-m:=1.o
2 CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
3 LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-4.4.0-21-generic
4 all:
5     make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
6 clean:
7     make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

 

运行结果：

 

四、高级模块

①列出当前进程虚拟内存的空间的各段权限。

②查找指定虚拟地址的所在的vma，并打印该段的起始地址、终止地址和段标志。③找出指定虚拟地址对应的物理地址。

④建立文件，进行代码的测试。

源代码来源于网络，但由于其内核版本过老，许多函数接口已经发生变化，代码并不能使用，所以现在正在改进，敬请期待~~