Linux内核Module.docx

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Linux内核Module

Linux–Module

Module可以允许我们动态的改变kernel，加载devicedriver，而且它也能缩短我们driverdevelopment的时间。

在RedHat里，我们可以执行sndconfig，它可以帮我们config声卡。

config完之后如果捉得到你的声卡，那你的声卡马上就可以动了，而且还不用重新激活计算机。

这是怎么做到的呢?

就是靠module。

module其实是一般的程序，但是它可以被动态载到kernel里成为kernel的一部分。

载到kernel里的module它具有跟kernel一样的权力，可以access任何kernel的datastructure。

你听过kdebug吗?

它是用来debugkernel的。

它就是先将它本身的一个module载到kernel里，而在userspace的gdb就可以经由跟这个module沟通，得知kernel里的datastructure的值，除此之外，还可以经由载到kernel的module去更改kernel里datastructure。

我们知道，在写C程序的时候，一个程序只能有一个main。

Kernel本身其实也是一个程序，它本身也有个main，叫start_kernel（）。

当我们把一个module载到kernel里的时候，它会跟kernel整合在一起，成为kernel的一部分。

请各位想想，那module可以有main吗?

答案很明显的，是No。

理由很简单。

一个程序只能有一个main。

在使用module时，有一点要记住的是module是处于被动的角色，它是提供某些功能让别人去使用的。

Kernel里有一个变量叫module_list，每当user将一个module载到kernel里的时候，这个module就会被记录在module_list里面。

当kernel要使用到这个module提供的function时，它就会去search这个list，找到module，然后再使用其提供的function或variable。

每一个module都可以export一些function或变量来让别人使用。

除此之外module也可以使用已经载到kernel里的module提供的function。

这种情形叫做modulestack。

比方说，moduleA用到moduleB的东西，那在加载moduleA之前必须要先加载moduleB。

否则moduleA会无法加载。

除了module会export东西之外，kernel本身也会export一些function或variable。

同样的，module也可以使用kernel所export出来的东西。

由于大家平时都是撰写userspace的程序，所以，当突然去写module的时候，会把平时写程序用的function拿到module里使用。

像是printf之类的东西。

我要告诉各位的是，module所使用的function或variable，要嘛就是自己写在module里，要嘛就是别的module提供的，再不就是kernel所提供的。

你不能使用一般libc或glibc所提供的function。

像printf之类的东西。

这一点可能是各位要多小心的地方。

kernel本身会export出一些function或variable来让module使用，但是，我们不是万能的，我们怎么知道kernel又开放哪些东西让我们使用呢?

Linux提供一个command，叫ksyms，你只要执行ksyms-a就可以知道kernel或目前载到kernel里的module提供了那些function或variable。

底下是我的系统的情形:

c0216ba0drive_info_R744aa133

c01e4a44boot_cpu_data_R660bd466

c01e4ac0EISA_bus_R7413793a

c01e4ac4MCA_bus_Rf48a2c4c

c010cc34__verify_write_R203afbeb

.....

在kernel里，有一个symboltable是用来记录export出去的function或variable。

除此之外，也会记录着哪个moduleexport有哪些function。

上面几行中，表示kernel提供了drive_info这个function/variable。

所以，我们可以在kernel里直接使用它，等载到kernel里时，会自动做好link的动作。

由此，我们可以知道，module本身其实是还没做link的一些objectcode。

一切都要等到module被加载kernel之后，link才会完成。

各位应该可以看到drive_info后面还接着一些奇怪的字符串。

_R744aa133，这个字符串是根据目前kernel的版本再做些encode得出来的结果。

为什么额外需要这一个字符串呢?

Linux不知道从那个版本以来，就多了一个config的选项，叫做Setversionnumberinsymbolsofmodule。

这是为了避免对系统造成不稳定。

我们知道Linux的kernel更新得很快。

在kernel更新的过程，有时为了效率起见，会对某些旧有的datastructure或function做些改变，而且一变可能有的variable被拿掉，有的function的prototype跟原来的都不太一样。

如果这种情形发生的时候，那可能以前2.0.33版本的module拿到2.2.1版本的kernel使用，假设原来module使用了2.0.33kernel提供的变量叫A，但是到了2.2.1由于某些原因必须把A都设成NULL。

那当此module用在2.2.1kernel上时，如果它没去检查A的值就直接使用的话，就会造成系统的错误。

也许不会整个系统都死掉，但是这个module肯定是很难发挥它的功能。

为了这个原因，Linux就在compilemodule时，把kernel版本的号码encode到各个exportedfunction和variable里。

所以，刚才也许我们不应该讲kernel提供了drive_info，而应该说kernel提供了driver_info_R744aa133来让我们使用。

这样也许各位会比较明白。

也就是说，kernel认为它提供的driver_info_R744aa133这个东西，而不是driver_info。

所以，我们可以发现有的人在加载module时，系统都一直告诉你某个function无法resolved。

这就是因为kernel里没有你要的function，要不然就是你的module里使用的function跟kernelencode的结果不一样。

所以无法resolve。

解决方式，要嘛就是将kernel里的setversion选项关掉，要嘛就是将modulecompile成kernel有办法接受的型式。

那有人就会想说，如果kernel认定它提供的function名字叫做driver_info_R744aa133的话，那我们写程序时，是不是用到这个funnction的地方都改成driver_info_R744aa133就可以了。

答案是Yes。

但是，如果每个function都要你这样写，你不会觉得很烦吗?

比方说，我们在写driver时，很多人都会用到printk这个function。

这是kernel所提供的function。

它的功能跟printf很像。

用法也几乎都一样，是debug时很好用的东西。

如果我们module里用了一百次printk，那是不是我们也要打一百次的printk_Rdd132261呢?

当然不是，聪明的人马上会想到用#defineprintkprintk_Rdd132261就好了嘛。

所以啰，Linux很体贴的帮我们做了这件事。

如果各位的系统有将setversion的选项打开的话，那大家可以到/usr/src/linux/include/linux/modules这个目录底下。

这个目录底下有所多的*.ver档案。

这些档案其实就是用来做#define用的。

我们来看看ksyms.ver这个档案里，里面有一行是这样子的：

#defineprintk_set_ver（printk）

set_ver是一个macro，就是用来在printk后面加上versionnumber的。

有兴趣的朋友可以自行去观看这个macro的写法。

用了这些ver檔，我们就可以在module里直接使用printk这样的名字了。

而这些ver档会自动帮我们做好#define的动作。

可是，我们可以发现这个目录有很多很多的ver檔。

有时候，我们怎么知道我们要呼叫的function是在哪个ver档里有定义呢?

Linux又帮我们做了一件事。

/usr/src/linux/include/linux/modversions.h这个档案已经将全部的ver档都加进来了。

所以在我们的module里只要include这个档，那名字的问题都解决了。

但是，在此，我们奉劝各位一件事，不要将modversions.h这个档在module里include进来，如果真的要，那也要加上以下数行：

#ifdefMODVERSIONS

#include

#endif

加入这三行的原因是，避免这个module在没有设定kernelversion的系统上，将modversions.h这个档案include进来。

各位可以去试试看，当你把setversion的选项关掉时，modversions.h和modules这个目录都会不见。

如果没有上面三行，那compile就不会过关。

所以一般来讲，modversions.h我们会选择在compile时传给gcc使用。

就像下面这个样子。

gcc-c-D__KERNEL__-DMODULE-DMODVERSIONSmain.c\

-includeusr/src/linux/include/linux/modversions.h

在这个commandline里，我们看到了-D__KERNEL__，这是说要定义__KERNEL__这个constant。

很多跟kernel有关的headerfile，都必须要定义这个constant才能include的。

所以建议你最好将它定义起来。

另外还有一个-DMODVERSIONS。

这个constant我刚才忘了讲。

刚才我们说要解决fucntion或variable名字encode的方式就是要includemodversions.h，其实除此之外，你还必须定义MODVERSIONS这个constant。

再来就是MODULE这个constant。

其实，只要是你要写module就一定要定义这个变量。

而且你还要includemodule.h这个档案，因为_set_ver就是定义在这里的。

刚才讲的都是使用别人的function上遇到的名字encode问题。

但是，如果我们自己的module想要export一些东西让别的module使用呢。

很简单。

在default上，在你的module里所有的globalvariable和function都会被认定为你要export出去的。

所以，如果你的module里有10个globalvariable，经由ksyms，你可以发现这十个variable都会被export出去。

这当然是个很方便的事啦，但是，你知道，有时候我们根本不想把所有的variable都export出去，万一有个module没事乱改我们的variable怎幺办呢?

所以，在很多时候，我们都只会限定几个必要的东西export出去。

在2.2.1之前的kernel（不是很确定）可以利用register_symtab来帮我们。

但是，现在更新的版本早就出来了。

所以，在此，我会介绍kernel2.2.1里所提供的。

kernel2.2.1里提供了一个macro，叫做EXPORT_SYMBOL，这是用来帮我们选择要export的variable或function。

比方说，我要export一个叫full的variable，那我只要在module里写:

EXPORT_SYMBOL（full）;

就会自动将fullexport出去，你马上就可以从ksyms里发现有full这个变量被export出去。

在使用EXPORT_SYMBOL之前，要小心一件事，就是必须在gcc里定义EXPORT_SYMTAB这个constant，否则在compile时会发生parsererror。

所以，要使用EXPORT_SYMBOL的话，那gcc应该要下：

gcc-c-D__KERNEL__-DMODULE-DMODVERSIONS-DEXPORT_SYMTAB\

main.c-include/usr/src/linux/include/linux/modversions.h

如果我们不想export任何的东西，那我们只要在module里下

EXPORT_NO_SYMBOLS;

就可以了。

使用EXPORT_NO_SYMBOLS用不着定义任何的constant。

其实，如果各位使用过旧版的register_symbol的话，一定会觉得新版的方式比较好用。

至少我是这样觉得啦。

因为使用register_symbol还要先定义出自己的symbol_table，感觉有点麻烦。

当我们使用EXPORT_SYMBOL把一些function或variableexport出来之后，我们使用ksyma-a去看一些结果。

我们发现EXPORT_SYMBOL（full）的确是把fullexport出来了：

c8822200full[my_module]

c01b8e08pci_find_slot_R454463b5

...

但是，结果怎么跟我们想象中的不太一样，照理说，应该是full_Rxxxxxx之类的东西才对啊，怎幺才出现full而已呢?

奇怪，问题在那里呢?

其实，问题就在于我们没有对本身的module所export出来的function或variable的名字做encode。

想想，如果在module的开头。

我们加入一行

#definefullfull_Rxxxxxx

之后，我们再重新compilemodule一次，载到kernel之后，就可以发现ksyms-a显示的是

c8822200full_Rxxxxxx[my_module]

c01b8e08pci_find_slot_R454463b5

.....

了。

那是不是说，我们要去对每一个export出来的variable和function做define的动作呢?

当然不是啰。

记得吗，前头我们讲去使用kernelexport的function时，由于include了一些.ver的档案，以致于我们不用再做define的动作。

现在，我们也要利用.ver的档案来帮我们，使我们moduleexport出来的function也可以自动加入kernelversion的information。

也就是变成full_Rxxxxxx之类的东西。

Linux里提供了一个command，叫genksyms，就是用来帮我们产生这种.ver的档案的。

它会从stdin里读取sourcecode，然后检查sourcecode里是否有export的variable或function。

如果有，它就会自动为每个export出来的东西产生一些define。

这些define就是我们之前说的。

等我们有了这些define之后，只要在我们的module里加入这些define，那export出来的function或variable就会变成上面那个样子。

假设我们的程序都放在一个叫main.c的档案里，我们可以使用下列的方式产生这些define。

gcc-E-D__GENKSYMS__main.c|genksyms-k2.2.1>main.ver

gcc的-E参数是指将preprocessing的结果show出来。

也就是说将它include的档案，一些define的结果都展开。

-D__GENKSYMS__是一定要的。

如果没有定义这个constant，你将不会看到任何的结果。

用一个管线是因为genksyms是从stdin读资料的，所以，经由管线将gcc的结果传给genksyms。

-k2.2.1是指目前使用的kernel版本是2.2.1，如果你的kernel版本不一样，必须指定你的kernel的版本。

产生的define将会被放到main.ver里。

产生完main.ver档之后，在main.c里将它include进来，那一切就OK了。

有件事要告诉各位的是，使用这个方式产生的module，其export出来的东西会经由main.ver的define改头换面。

所以如果你要让别人使用，那你必须将main.ver公开，不然，别人就没办法使用你export出来的东西了。

讲了这幺多，相信各位应该都已经比较清楚module在kernel中是怎幺样一回事，也应该知道为什幺有时候module会无法加载了。

除此之外，各位应该还知道如何使自己moduleexport出来的东西也具有kernelversion的information。

接下来，要跟各位讲的就是，如何写一个module了。

其实，写一个module很简单的。

如果你了解我上面所说的东西。

那我再讲一次，再用个例子，相信大家就都会了。

要写一个module，必须要提供两个function。

这两个function是给insmod和rmmod使用的。

它们分别是init_module（），以及cleanup_module（）。

intinit_module（）;

voidcleanup_module（）;

相信大家都知道在Linux里可以使用insmod这个command来将某个module加载。

比方说，我有一个module叫hello.o，那使用insmodhello.o就可以将hello这个module载到kernel里。

观察/etc/modules应该就可以看到hello这个module的名字。

如果要将hello这个module移除，则只要使用rmmodhello就可以了。

insmod在加载module之后，就会去呼叫module所提供的init_module（）。

如果传回0表示成功，那module就会被加载。

如果失败，那加载的动作就会失败。

一般来讲，我们在init_module（）做的事都是一些初始化的工作。

比方说，你的module需要一块内存，那你就可以在init_module（）做kmalloc的动作。

想当然尔。

cleanup_module（）就是在module要移除的时候做的事。

做的事一般来讲就是一些善后的工作，比方像把之前kmalloc的内存free掉。

由于module是载到kernel使用的，所以，可能别的module会使用你的module，甚至某些process也会使用到你的module，为了避免module还有人使用时就被移除，每个module都有一个usecount。

用来记录目前有多少个process或module正在使用这个module。

当module的usecount不等于0时，module是不会被移除掉的。

也就是说，当module的usecount不等于0时，cleanup_module（）是不会被呼叫的。

在此，我要介绍三个macro，是跟module的usecount有关的。

MOD_INC_USE_COUNT

MOD_DEC_USE_COUNT

MOD_IN_USE

MOD_INC_USE_COUNT是用来增加module的usecount，而MOD_DEC_USE_COUNT是用来减少module的usecount。

至于MOD_IN_USE则是用来检查目前这个module是不是被使用中，也就是检查usecount是否为0。

module的usecount必须由写module的人自己来maintain。

系统并不会自动为你把usecount加一或减一，一切都得由自己控制。

下面有一个例子，但是，并不会介绍这三个macro的使用方法。

将来如果有机会，我再来介绍这三个macro的用法。

这个例子很简单。

其实只是示范如何使用init_module（）以及cleanup_module（）来写一个module。

当然，这两个function只是构成module的基本条件罢了。

至于module里要提供的功能则是看各人的需要。

main.c

#defineMODULE

#include

#include

intfull;

EXPORT_SYMBOL（full）;

intinit_module（void）

{

printk（"<5>Moduleisloaded\n"）;

return0;

}

voidcleanup_module（void）

{

printk（"<5>Moduleisunloaded\n"）;

}

关于printk是这样子的，它是kernel所提供的一个打印讯息的function。

kernel有export这个function，所以你可以自由的使用它。

它的用法跟printf几乎一模一样。

唯独讯息的开头是<5>，其实，不见得这三个字符啦。

也可以是<4>，<3>，<7>等等的东西。

这是代表这个讯息的prioirty或level。

<5>表示的是跟KERNEL有关的讯息。

main.ver:

　　利用genksyms产生出来的。

gcc-E-D__GENKSYMS__main.c|genksyms-k2.2.1>main.ver

　　接下来，就是要把main.ccompile成main.o

gcc-D__KERNEL__-DMODVERSIONS-DEXPORT_SYMTAB-c\

-I/usr/src/linux/include/linux-include\

/usr/src/linux/include/linux/modversions.h\

-include./main.vermain.c

好了。

main.o已经成功的compile出来了，现在下一个command，

insmodmain.o

检查看/proc/modules里是否有main这个module。

如果有，表示main这个module已经载到kernel了。

再下一个指令，看看fullexport出去的结果。

ksyms

结果显示

AddressSymbolDefinedby

c40220e0full_R355b84b2[main]

c401d04cne_probe[ne]

c401a04cei_open[8390]

c401a094ei_close[8390]

c401a504ei_interrupt[8390]

c401af1cethdev_init[8390]

c401af80NS8390_init[8390]

可以看到full_R355b84b2，表示我们已经成功的将f