内核模块动态加载LKM实例

摘要：

    本文回答了为什么需要内核模块动态加载LKM，通过一个简单实例描述了模块加载、卸载过程，接着以实例讲述模块间调用问题及应用程序怎样调用模块内函数，最后给出一些关于模块学习资料。 

 一、动态可加载内核模块(Loadable Kernel Module，LKM) 

 1.1 为什么要LKM 

    要回答这点，有必要先了解下单内核与微内核的优缺点。单内核与微内核是操作系统内核设计的两大阵营。

 (1)微内核 

    在微内核中，所有的服务器(微内核的功能被划分为独立的过程，称服务器[1])运行在各自的地址空间互相独立，只有强烈要求特权服务的服务器才运行在特权模式下(比如进程间通信、调度、基本的输入/输出、内存管理)，其他服务器运行在用户空间，各个服务器之间采用进程间通信(IPC)机制。优点：安全可靠(服务间独立)、扩展性好；缺点：效率低下(IPC机制开销比函数调用多)。 

 (2)单内核 

    单内核作为一个大过程实现，同时运行在一个单独的地址空间。优点：简单、高性能(内核间通信微不足道、内核可以直接调用函数)；缺点：可扩展性和可维护性差一点[2]。 

    Linux属于单内核，为了弥补单内核扩展性与维护性差的缺点，Linux引入动态可加载内核模块，模块可以在系统运行期间加载到内核或从内核卸载。 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(属于内核编程，不能访问C库等)。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[2]。 

1.2 一个简单例子

    模块代码可以放在内核源代码树中，也可以放在内核代码外(区别在于构建过程)，这里选择放在内核代码外，以书[1]的例子为例。 

(1)模块module_hello 

#include <linux/init.h> 　//包含了宏_init和_exit，允许释放内核占用的内存
#include <linux/module.h>　//所有模块都要使用头文件module.h
#include <linux/kernel.h> //常用的内核函数

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Shakespeare");

/***模块的初始化函数，这里可以包含诸如要编译的代码、初始化数据结构等内容***/
static int hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "I bear a charmed life.\n");
    return 0;
}

/***模块的退出和清理函数。此处可以做所有终止该驱动程序时相关的清理工作***/
static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Out,out,brief candle!\n");
}

module_init(hello_init);//对于内置模块，内核在引导时调用该入口点；对于可加载模块，模块插入时调用hello_init
module_exit(hello_exit);//对于内置模块，内核在引导时调用该入口点；对于可加载模块，模块插入时调用hello_exit

(2)Makefile文件 

# Makefile2.6
obj-m += module_hello.o 		#产生module_hello模块的目标文件
CURRENT_PATH := $(shell pwd) 		#模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r) 	#Linux内核源代码的当前版本
LINUX_KERNEL_PATH := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL) 	#Linux内核源代码的绝对路径
all:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules 	#编译模块
clean:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean 	#清理

(３)编译模块 

    用make命令编译，编译完会产生若干新的文件：module_hello.ko module_hello.mod.c module_hello.mod.o module_hello.o modules.order。其中module_hello.ko即为所需。 

(４)插入模块 

    用命令sudo insmod module_hello.ko插入模块，用命令dmesg可以查看内核环缓冲(可以用sudo dmesg -c 完成打印显示后清除环缓冲内的内容)，结果如下： 

jelline@jelline:~/project/module_test$ dmesg
[36478.340651] I bear a charmed life.

(5)查看模块 

    用命令lsmod | grep module_hello或者cat /proc/kallsyms | grep module_hello查看被加入的模块信息，如下： 

module_hello 737 0

(6)卸载模块 

用命令sudo rmmod module_hello卸载模块，dmesg查看内核环缓冲如下：

[36478.340651] I bear a charmed life.
[36808.842565] Out,out,brief candle!

二、模块间函数调用 

2.1 修改modual_hello

    在上述模块modual_hello加入函数printStr，并且在模块module_call调用该函数。printStr函数源代码如下： 

void printStr(const char *s)
{

    printk(s);
}

EXPORT_SYMBOL_GPL(printStr);

模块module_call源代码如下： 

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

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Jelline");

extern void printStr(char *s); //module_hello.ko

static int hello_init(void)
{
    printStr("Begin module_call.\n");
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    printStr("End module_call.\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

2.2 错误Unknown symbol in module 

 编译好模块module_call，插入时遇到如下错误：

insmod: error inserting 'module_call.ko': -1 Unknown symbol in module

解决方法： 

(1)拷贝文件Module.symvers 

    将模块module_hello编译产生的文件Module.symvers拷贝到模块module_call目录下，重新编译，插入成功。 

(2)将模块放在同一目录下 

    将module_hello.c、module_call.c放在同个目录，并修改Ｍakefile中的obj-m语句，如下： obj-m += module_hello.o module_call.o 

(3)其他更好的方法 

三、应用程序调用模块内函数 

    应用程序(用户空间)无法直接调用模块中的函数(内核空间)，用户空间访问内核空间只能通过异常、陷入、系统调用。关于这一点，可以阅读下面这一篇博文： 

《在linux中 应用程序如何调用模块内的函数》

四、进一步了解 

4.1　模块描述信息

MODULE_AUTOR("作者信息");
MODULE_DESCRIPTION("模块描述信息");
MODULE_VERSION("版本信息");
MODULE_ALIAS("别名信息");
MODULE_DEVICE_TABLE("设备表信息");

4.2　导出符号表 

EXPORT_SYMBOL() ;//对全部内核代码公开
EXPORT_SYMBOL_GPL();//只适合GPL许可的模块进行调用

4.3 模块参数

    模块参数是模块内部的全局变量，在加载模块时(insmod/modprobe)，可以向模块传递的参数值，举例如下：

static char *interface; //模块内部定义变量
module_param(interface, charp, 0644); //module_param(name, type, perm)

sodu insmod module_myirq.ko interface=eth0 //插入模块

除此之外，还有：

module_param_named(name, variable, type, perm); //模块外部参数名称不同于模块内部变量名称
module_param_string(name, string, len, perm);//内核直接拷贝字符串到指定字符数组string
module_param_array(name, type, nump, perm);
module_param_array_named(name, array, type, nump, perm);
MODULE_PARM_DESC(); //描述参数

更多信息可查看。 

    关于模块，可以进一步阅读博文《》，尤其是博文《Linux 可加载内核模块剖析》，从系统角度出发，全面、深入浅出剖析了动态内核加载模块。 

参考资料： 

[1]Robert Love著.陈莉君译.Linux内核设计与实现(第二版)[M].北京:机械工业出版社.2006.1 

[2]博文《内核模块编程之入门（一）-话说模块》