Linux课程实践二：编译模块实现内核数据操控

一、内核模块原理

1. Linux内核增加功能

Linux内核整体结构很庞大，包含了很多的组件，现在有两种方法将需要的功能包含进内核当中：
- 静态加载：将所有的功能都编译进Linux内核。
- 动态加载：将需要的功能编译成模块，在需要的时候动态地添加。

• 第一种方法优点在于不会有版本不兼容的问题，不需要进行严格的版本检查；但是生成的内核会很大，要在现有的内核中添加新的功能，要编译整个内核。
• 第二种方法有点在于模块本身不编译进内核，从而控制了内核的大小，模块一旦被加载，将和其它的部分完全一样。可能会有内核与模块版本不兼容的问题，导致内核崩溃，会造成内存的利用率比较低。

2. 内核模块概述

• 之所以提供模块机制，就是为了弥补Linux这个单内核可扩展性和可维护性相对较差的缺陷。
• 一个模块被加载到内核中时，就成为内核代码的一部分。模块加载入系统时，系统修改内核中的符号表，将新加载的模块提供的资源和符号添加到内核符号表中，以便模块间的通信。

二、实现内核模块

1. 编写一个空模块

（1）模块许可证声明

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
 
MODULE_LICENSE("GPL");

• 内核支持GPL兼容代码，因此如果把许可证设置为其它非GPL兼容的（如，“Proprietary”[专利]），某些特定的内核功能在模块中不可用。
• 如果不声明，则在模块加载时会收到内核被污染的警告，一般应遵循GPL协议。

（2）模块加载函数

static int __init XXX_init(void)
{
         return 0;
}
moudle_init(XXX_init);

• 在用insmod命令加载模块时，该函数被执行，完成模块的初始化工作。
• 命名：Linux内核的模块加载函数一般用 __init 标识声明，模块加载函数必须以 XXX_init (函数名)的形式被指定。
• 返回值：该函数返回整型值，如果执行成功，则返回0，初始化失败时则返回错误编码，Linux内核当中的错误编码是负值，在<linux/errno.h>中定义。

（3）模块卸载函数

static void __exit XXX_exit(void)
{
}
moudle_exit(XXX_exit);

• 在用rmmod命令卸载模块时，该函数被执行，完成与加载相反的工作。
• 命名：Linux内核的模块加载函数一般用 __exit 标识声明，模块加载函数必须以 XXX_exit (函数名)的形式被指定。
• 主要包括：
  • 若模块加载函数注册了XXX，则模块卸载函数注销XXX
  • 若模块加载函数动态分配了内存，则模块卸载函数释放这些内存
  • 若模块加载函数申请了硬件资源，则模块卸载函数释放这些硬件资源
  • 若模块加载函数开启了硬件资源，则模块卸载函数一定要关闭这些资源

（4）模块参数

static 类型 名称 = 赋值；

• 模块在被加载时传递给模块的值，本身应该是模块内部的全局变量。

2. 模块操作

（1）编译模块

• 编写makefile：

    obj-m:=XXX.o
    CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
    LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-4.4.0-21-generic	//这里写编译机器上的路径和版本
    all:
            make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
    clean:
            make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean
  
    //make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) 指明跳转到内核源码目录下读取那里的Makefile
    //M=$(CURRENT_PATH) 表明返回到当前目录继续执行当前的Makefile
  

• 将其放在编写的模块.c文件同级目录下，使用make命令编译，生成XXX.ko模块文件。

（2）加载模块

sudo insmod XXX.ko

• 此时已经加载了模块。

（3）查看与测试

查看已经安装好的模块：

lsmod

• 也可以通过查看/proc/modules文件的内容。实际上，lsmod读命令就是通过查看/proc/modules的内容来显示模块信息的。

显示linux内核的记录信息：

dmesg

显示模块信息：

modinfo XXX.ko

（4）卸载模块

sudo rmmod XXX

• 这时用dmesg看内核信息，就会看到写在module_exit()中的输出。

3. 实现功能（参考学姐代码）

（1）输出当前进程信息

• 代码：

  

• 编译：

  

• 查看内核信息，验证信息：

  

（2）读取进程链表

• 代码：

  

• 从第一个PCB（叫做init_task）开始，顺着next指针读了一圈：

  

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参考资料

参考资料1：Linux内核模块简介
参考资料2：编写属于你的第一个Linux内核模块