文章目录

一、 Linux和内核模块的关系

二、 内核模块的编写套路

2.1 头文件

2.2 模块初始化

2.3 模块退出

2.4 模块的各种方法

2.5 模块的许可证和描述

2.6 模块的其他一些特性

2.6.1 符号导出

2.6.2 带参数的模块

3.总结

4.简单的例子：

4.1 不带参数的hello world

4.2 带参数的hello world

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一、 Linux和内核模块的关系

在32位的操作系统上，Linux内核将4G的空间分为了0-3G的用户空间和3-4G的内核空间，具体可以自己画出内存的模型来分析。其中用户程序是运行在用户空间的，用户空间通过中断或者系统调用的方式进入内核空间。在Linux中很多功能或者外设都可以编译成模块，在系统运行时动态地注册或者卸载，在此过程无需重启整个系统。

二、 内核模块的编写套路

2.1 头文件

内核模块需要包含内核相关的头文件，根据功能不同，所需要的头文件也会有所不一样，但是这两个头文件是所有的内核模块都必须要包含的:

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

2.2 模块初始化

模块的初始化负责注册模块本身。只有已注册的模块，其内部方法才可以被应用程序锁使用。模块初始化的功能相当于模块和内核之间衔接的桥梁，告知内核：我注册好了，已经做好准备随时为你服务。
通常的模块的初始化函数如下所示：

/*
	1. 初始化代码一般都声明为static
	2. __init 标识初始化函数仅在初始化期间使用，一旦初始化完毕，将释放初始化函数所占用的内存。
	3. module_init是必须的，当使用insmod将内核加载进模块的时候，初始化函数将会被执行。
	4. 模块初始化只与内核模块管理子系统打交道，不与应用程序交互。
*/
static int __init module_init_func(void)
{
    /*TODO: 初始化代码*/
}

module_init(module_init_func);

2.3 模块退出

当系统不再需要某个模块时，可以卸载这个模块释放该模块所占用的资源。模块的退出相当于告知内核:我要退出了，不能在为你服务了。通常的模块的退出函数如下所示：

/*
	1. 模块退出代码没有返回值。
	2. __exit标志这段代码用于模块卸载。
	3. module_exit不是必须的，但是没有module_exit定义的模块无法被卸载。
	4. 使用rmmod卸载模块时，退出函数将被执行。
	5. 模块初始化只与内核模块管理子系统打交道，不与应用程序交互。
*/
static viod __exit module_exit_func(void)
{
    /*TODO: 模块退出代码*/
}
module_exit(module_exit_func);

2.4 模块的各种方法

非必须，主要是与应用程序交互(其实就是填充file_operations结构体)，常见的模块各种方法有:

xxx_open()
xxx_release()
xxx_read()
xxx_write()
xxx_ioctl()

file_operations结构体在内核源码include/linux/fs.h中定义，源码如下所示：

struct file_operations 
{
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, int datasync);
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

用户程序通过系统调用(open/release/read/write/ioctl等)，进入到内核模式，使用这些方法。常见的file_operations结构体定义如下，根据实际情况进行填充：

static struct file_operations xxx_fops = 
{
    .owner    = THIS_MODULE,/*固定的*/
    .open     = xxx_open,
    .write    = xxx_write,
    .read     = xxx_read,
    .release  = xxx_release,
    .ioctl    = xxx_ioctl,
};

2.5 模块的许可证和描述

Linux内核源码是开源的，遵守GPL协议，所以我们编写出来的模块一定要指定相关的开源协议，否则是不能被静态编译进内核模块。使用MODULE_LINCENSE来指定遵守的协议:

MODULE_LINCENSE("GPL");

模块的编写者可以为所编写的模块增加一些描述的信息，比如作者、模块描述、以及版本号等(非必须的)：

MODULE_AUTHOR("wxb");
MODULE_DESCRIPTION("hello world");
MODULE_VERSION("V1.01");

2.6 模块的其他一些特性

2.6.1 符号导出

所有的内核符号默认都是不导出的。如果希望一个模块的符号能被其它模块使用，则必须显式的用 EXPORT_SYMBOL 将符号导出:

EXPORT_SYMBOL(module_symbol);

2.6.2 带参数的模块

Linux内核允许模块在加载时指定参数。模块接收UC桉树传入能够实现一个模块在多个系统上运行，可以根据传入的参数提供不同的服务。模块参数必须使用module_param来声明，通常放在文件的头部，module_param需要三个参数：变量名称，变量类型，访问掩码。如:

static int num = 5;
module_param(num,int,S_IRUGO);/* 传入int类型数据 */
static char str_buff[] = "hello world";
module_param(str_buff,charp,S_IRUGO);/* 传入char指针类型数据 */

 

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3.总结

一张图进行总结，内核模块开发的套路

4.简单的例子：

4.1 不带参数的hello world

4.1.1 编写C源文件 vi hello.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO"hello init!\r\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO"hello exit!\r\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("wxb");
MODULE_DESCRIPTION("hello module example");
MODULE_VERSION("V1.00");

4.1.2 编写Makefile文件，需要根据实际情况填入Linux内核源码的目录：

# 获取内核版本信息
KERN_VER = $(shell uname -r) 
# 获取内核源码树位置信息
KERN_DIR = /lib/modules/$(KERN_VER)/build
# 将hello.c编译成一个模块（m—模块，y-静态链接到zImage中，-n表示不编译）
# 这一行是必不可少的，实际上Makefile也只需要这一行就能搞定。
# 假如有个新的模块module.ko，它依赖于两个文件file1.c和file2.c的话，这一行应该改为：
# obj-m +=module.o  
# module-objs := file1.o file2.o
obj-m += hello.o 
# all 目标为 make modules 表示编译为模块
# -C 表示进入到指定目录下借用内核源码的体系进行编译链接
# M=`pwd`把当前路径记录到M中，编译完成之后拷贝回M
all: 
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
# 清除目标文件
clean:
    rm -rf *.ko *.mod.c *.mod.o *.o *.order *.symvers
.PHONY: clean

4.1.3 使用root身份，使用make,正常的话，会出现以下提示信息，并生成hello.ko等文件

使用root身份加载和卸载模块

sudo insmod hello.ko //加载模块
sudo rmmod hello.ko //卸载模块
lsmod //查看已有的模块

modinfo hello.ko //查看模块相关描述

4.1.4 使用用dmesg|tail或者dmesg –c 清除内核log,然后使用dmesg | tail -2 可以查看最后两行的日志

4.2 带参数的hello world

4.2.1 编写C源文件 vi hello_param.c

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


static int num = 1;
static char *str = "hello world";

/*指定模块传入参数的类型*/
module_param(num,int,S_IRUGO);
module_param(str,charp,S_IRUGO);

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO"%s,str=%s,num=%d\r\n",__FUNCTION__,str,num);
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO"hello_exit\r\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("wxb");
MODULE_DESCRIPTION("this is hello param example,param int num,charp str");
MODULE_VERSION("V1.01");

4.2.2 编写Makefile文件

KERN_VER = $(shell uname -r)
KERN_DIR = /lib/modules/$(KERN_VER)/build

obj-m += hello_param.o

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
clean:
    rm -rf *.ko *.mod.c *.mod.o *.o *.order *.symvers
.PHONY:clean

执行结果如下所示：