从第一个内核模块开始

内核模块是Linux内核向外部提供的一个插口，其全称为动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），简称为模块。Linux内核之所以提供模块机制，是因为它本身是一个单内核（monolithic kernel）。单内核的最大优点是效率高，因为所有的内容都集成在一起，但其缺点是可扩展性和可维护性相对较差，模块机制就是为了弥补这一缺陷。
一.什么是模块
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。
二. 编写一个简单的模块
模块和内核都在内核空间运行，模块编程在一定意义上说就是内核编程。因为内核版本的每次变化，其中的某些函数名也会相应地发生变化，因此模块编程与内核版本密切相关。
在学习程序的时候，基本都是从打印hello world！来实现的，所以，现在也尝试着编写一个简单的内核模块，然后加载在内核中去运行，体会与应用层不一样的实现。
三.实现过程
使用cat  /proc/version 得到本机Linux的基本信息，如下： 
Linux version 4.4.0-142-generic (buildd@lcy01-amd64-006) (gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4) ) #168~14.04.1-Ubuntu SMP Sat Jan 19 11:26:28 UTC 2019
这里主要实现一个.c文件和一个Makefile
hello.c如下：
#include
#include
#include
说明：不知道什么原因，头文件后面的部分，博客上显示不了
static void __init test_module_init(void)
{
printk("The test_module_init init !\n");
printk("Hello world!\n");
}

static void __exit test_module_exit(void)
{
printk("The test_module_exit exit!\n");
}

module_init(test_module_init); 
module_exit(test_module_exit); 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("CHENG");
MODULE_DESCRIPTION("first module for hello world");


对各部分简单介绍：
#include  
#include
#include
//这三个头文件是必须要有的，里面包含了函数声明和宏，缺少会出现错误
test_module_init()
//模块的入口函数，模块运行时，会从init函数开始执行
test_module_exit()
//模块的退出，在模块退出时，会从exit函数开始执行
module_init(test_module_init);            //入口处
module_exit(test_module_exit);          //出口处
MODULE_LICENSE("GPL");                 //接受软件许可证协议
MODULE_AUTHOR("CHENG");            //模块作者的信息描述
MODULE_DESCRIPTION("first module for hello world"); //用来描述模块的用途或者功能实现
Makefile的内容：
注意：空格不能随便添加在makefile文件中

#makefile file                                                                                                                                         
obj-m := hello.o                          #编译为模块
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)                      #当前工作路径
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)                 #内核的版本信息
LINUX_KERNEL_PATH:= /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)               
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules          #编译模块
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean            #清除模块
这里就不放截图了，将上面连个文件保存后，终端执行make 命令，就能编译出如下文件（黑色文件为原有文件）
hello.c  hello.ko  hello.mod.c  hello.mod.o  hello.o  Makefile  modules.order  Module.symvers
使用模块加载命令insmod hello.ko ，然后用lsmod命令进行查看，若成功加载，则
root@ubuntu:/home/module_hello# lsmod   //命令查看内核模块
Module                  Size  Used by
hello                  16384  0 
xt_nat                 16384  4 
iptable_nat            16384  1 
重复加载会出现以下结果：
root@ubuntu:/home/module_hello# insmod hello.ko  //命令加载内核模块
insmod: ERROR: could not insert module hello.ko: File exists
使用dmesg命令可以查看模块运行的结果，会有很多的打印信息，暂时不用关注这些，以后再深入了解。
[149912.283813]  [] SyS_finit_module+0xe/0x10
[149912.283890]  [] entry_SYSCALL_64_fastpath+0x22/0xcb
[150620.196179] The test_module_init init !
[150620.196184] Hello world!
[150620.196215] do_init_module: 'hello'->init suspiciously returned 12, it should follow 0/-E convention
[150620.196215] do_init_module: loading module anyway...
[150620.196221] CPU: 0 PID: 10966 Comm: insmod Tainted: P           OE   4.4.0-142-generic #168~14.04.1-Ubuntu
[150620.196222] Hardware name: VMware, Inc. VMware Virtual Platform/440BX Desktop Reference Platform, BIOS 6.00 07/02/2015
[150620.196227]  0000000000000000 ffff880044eb7d38 ffffffff813ee007 ffffffffc0442000
[150620.196231]  ffff88005372ea80 ffff880044eb7d60 ffffffff8118cf32 0000000000000001
[150620.196234]  ffffffffc0442050 ffff880066f140c0 ffff880044eb7ea0 ffffffff8110b0ed
[150620.196237] Call Trace:
[150620.196263]  [] dump_stack+0x63/0x8c
[150620.196271]  [] do_init_module+0x90/0x1d2
[150620.196274]  [] load_module+0x145d/0x1b50
[150620.196299]  [] ? __symbol_put+0x40/0x40
[150620.196306]  [] ? kernel_read+0x41/0x60
[150620.196309]  [] SYSC_finit_module+0x7e/0xa0
[150620.196313]  [] SyS_finit_module+0xe/0x10
[150620.196353]  [] entry_SYSCALL_64_fastpath+0x22/0xcb
[150674.456301] The test_module_exit exit!
root@ubuntu:/home/module_hello# rmmod hello.ko  //命令卸载内核模块
root@ubuntu:/home/module_hello# lsmod   //再次查看内核模块，hello.ko模块被卸载掉了
Module                  Size  Used by
xt_nat                 16384  4 
iptable_nat            16384  1 
nf_conntrack_ipv4      16384  1 
看到红色字体部分，就是模块所实现的内容，那么我们利用这个模块框架，再模块中实现我们自己想要的功能，再将模块加入带内核中运行，就实现了简单的内核编程。
这是指一个最基本的实现，却包含很多模块相关的知识，有点麻雀虽小五脏俱全的意思了，以后利用这个模块模板，再进一步的学习了。
四.差异对比：

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
入口函数	main()	module_init()
出口函数	exit()	module_exit()
编译	Gcc –c	Makefile
连接	Gcc	insmod
运行	直接运行	insmod
调试	Gdb	kdbug, kdb,kgdb等

参考书籍：《奔跑吧Linux内核》