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Linux内核编程入门

 linux  2750  6 分钟  

Linux 内核编程入门&简介

Linux可加载内核模块是 Linux 内核的最重要创新之一。它们提供了可伸缩的、动态的内核。其它开发者可以不用重新编译整个内核便可以开发内核层的程序，极大方便了驱动程序等的开发速度。

参考：

小白学Linux之内核模块编程

linux内核编程

黑客内核：编写属于你的第一个Linux内核模块

linux mod相关命令&内核模块化

linux内核编程入门 hello world

由于系统安全这门课刚上来，就给了一个内核编程的实例，我不得不找些资料学习学习

  • 什么是内核模块：内核模块是具有独立功能的程序。它可以被单独编译，但是不能单独运行，它的运行必须被链接到内核作为内核的一部分在内核空间中运行。模块编程和内核版本密切相连，因为不同的内核版本中某些函数的函数名会有变化（所以我在编译老师给的实例时报错了），因此模块编程也可以说是内核编程。

https://lxr.missinglinkelectronics.com/linux：这个网址里可以查到所需用的linux内核函数所在位置

当然，也可以在linux源码下找到，可能比较慢：https://github.com/torvalds/linux（github，search this repository）

  • 内核模块编程特点： 模块本身不被编译进内核映像，从而控制了内核的大小；模块一旦被加载，就和内核中的其他部分完全一样。

Linux驱动程序有两种加载方式：一种是静态地编译进内核，内核启动时自动加载，另一种是编写为内核/驱动模块，使用insmod命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时用rmmod命令将模块卸载。

上图为linux内核加载过程

用户层编程和内核模块编程的区别

应用程序 内核模块程序
使用函数 libc库 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(superuser)
入口函数 main() module_init()
出口函数 exit() module_exit()
编译 gcc makefile
链接 gcc insmod
运行 直接运行生成的./a.out insmod
调试 gdb kdbug、kdb、kgdb

内核编程：Hello World

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

//模块许可证声明,必须
MODULE_LICENSE("GPL");

//模块加载函数,必须
static int hello_init(void){
    printk(KERN_ALERT "Hello Kernel!");
    return 0;
}

//模块卸载函数,必须
static void hello_exit(void){
	printk(KERN_ALERT "goodbye,kernel/n");
}

//模块的注册
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

// 以下可选
//声明模块的作者
MODULE_AUTHOR("Magic");
//声明模块的描述
MODULE_DESCRIPTION("This is a simple example!/n");
//声明模块的别名
MODULE_ALIAS("A simplest example");
//声明模块的版本
MODULE_VERSION("version_string");
//声明设备表,对于USB,PCI等设备驱动,通常会创建一个
MODULE_DEVICE_TABLE("table_info");

在内核编程时，与往常应用编程时类似而又有所不同

开头为内核编程所必须的三个头文件

最明显的就是函数入口由main()变成了module_init，又或者像下面直接写出init_module()

在内核编程中，module_init(begin_func);是指定begin_func为该模块的入口，而相对应的module_exit(exit_func)指定了模块退出时的出口函数为exit_func，这两者皆为模块加载函数

  • 模块加载函数，这部分是必须的。模块加载函数必须以module_init(func)的形式被指定。它返回整形值，若初始化成功，应返回0。在上面那个例子当中，hello_init()函数就是模块加载函数需要执行的，主要是打印一条信息。

  • 跟模块加载函数相对应的就是模块卸载函数，这部分也是必须的。模块卸载函数在模块卸载的时候执行，不返回任何值，必须以module_exit(func)的形式来指定。在上面的例子中，hello_exit()函数就是模块卸载函数需要执行的，只要是打印了一条退出信息。

  • 模块许可证声明，这部分是必须有的。模块许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限，如果不声明LICENSE，模块被加载时，将收到内核被污染（kernel tainted）的警告。大多数情况下，内核模块应遵守GPL兼容许可权。Linux2.6内核模块最常见的是以MODULE_LICENSE（"Dual BSD/GPL")语句声明模块采用BSD/GPL双LICENSE。

再者，其中的函数有所不同，比如printk()是由内核定义的，把要打印的信息输入到系统日志中，可以用dmesg命令查看

>>>此外，模块加载函数有另外一种写法

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static int __init hello_init(void){
    //init
    printk("hello tiger/n");
	return 0;
}


static void __exit exit(void){
    //exit code
	printk("bye bye!/n");
}

这种写法与前面不同，就是加了__init和__exit前缀，与第一种写法来说，会比较节省内存

__init 和 __exit 是 Linux 内核的一个宏定义，使系统在初始化完成后释放该函数，并释放其所占内存。

在 linux 内核中，所有标示为 init 的函数在连接的时候都放在 .init.text 这个区段内，此外，所有的 init 函数在区段 .initcall.init 中还保存了一份函数指针，在初始化时内核会通过这些函数指针调用这些 __init 函数，并在初始化完成后释放 init 区段（包括 .init.text,.initcall.init 等）。

__exit和 __init 一样， __exit 也可以使对应函数在运行完成后自动回收内存。

之后，编写完C文件之后就要对其进行相对应的操作，把他编译成内核文件。

要知道不同环境下，内核版本不一样的可能性极高，再考虑到路径等问题，为了编译方便，一般都采用Makefile的文件形式，来简化内核版本号、路径、以及编写模块的路径和信息

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obj-m += hello.o
#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
#clean
clean:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

这是老师给的样例，还会打印现有的所有进程

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#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/sched/signal.h>
#include <linux/sched/task.h>

int init_module(){
   printk("Hello world\n");
   extern unsigned long volatile jiffies;
   struct task_struct *p = &init_task;
   do{
		printk("%d %s\n", p->pid, p->comm);
       	p = next_task(p);
   }
   while (p!=&init_task);
   return 0;
}
void cleanup_module(){
	printk("bye\n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");

以及其简单的Makefile

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obj-m := hellops.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
	$(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modules

运行结果如上

一些常用的linux内核函数：https://blog.csdn.net/guowenyan001/article/details/43342301

内核模块的操作

编写好内核模块的函数之后，经过编译，我们就得到了所要的内核模块的执行文件xxx.ko

以下就是我们可以对这个文件操纵的一些命令

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$ insmod xxx.ko #将模块装入内核种
$ rmmod xxx.ko #将模块从内核种删除
$ lsmod | grep xxx #列表显示所有的内核模块，类似ls命令
$ modprobe -v xxx.ko #自动处理载入模块，一般用于载入指定的个别模块或一组相依赖的模块
$ depmod /PATH/TO/MODULES_DIR #查看模块依赖
$ modinfo #查看模块的具体信息

modprobe: modprobe可载入指定的个别模块，或是载入一组相依赖的模块。modprobe会根据depmod所产生的依赖关系，决定要载入哪些模块。若在载入过程中发生错误，在modprobe会卸载整组的模块。依赖关系是通过读取 /lib/modules/2.6.xx/modules.dep得到的。而该文件是通过depmod 所建立。

关于modprobe的相关

模块加载——modprobe和insmod的区别(转)

Linux下使用modprobe加载驱动

updatedupdated2021-11-212021-11-21

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