5 内核模块编程

5.1 完整概念讲解

内核模块 vs 应用程序

特性	应用程序	内核模块
入口点	`main()`	`module_init()` 指定的初始化函数
运行空间	用户态	内核态
标准库	libc（printf, malloc 等）	无 libc，使用内核 API（printk, kmalloc 等）
内存访问	虚拟地址（MMU 保护）	直接访问物理地址或通过内核映射
错误处理	`errno`	返回负错误码（`-ENOMEM` 等）
调试手段	gdb、printf	printk、ftrace、kdump
编译方式	gcc 链接 libc	需要内核源码树，使用 `obj-m` 编译为 `.ko`
加载方式	直接执行	`insmod` / `modprobe` 动态加载

模块生命周期

insmod → module_init() → 模块运行中 → rmmod → module_exit() → 模块卸载

module_init()：注册模块加载时执行的初始化函数
module_exit()：注册模块卸载时执行的清理函数
如果模块编译进内核（built-in），则没有动态加载/卸载过程

5.2 核心API/语法

模块元信息宏

MODULE_LICENSE("GPL");           // 必须，否则内核被标记为 "tainted"
MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("Short description");
MODULE_VERSION("1.0");

模块参数

static int my_value = 0;
module_param(my_value, int, 0644);  // 参数名, 类型, 权限
MODULE_PARM_DESC(my_value, "An example integer parameter");

权限值含义：

0444：只读，用户可通过 /sys/module/<mod>/parameters/<param> 查看
0644：可读写

printk 日志级别

printk(KERN_INFO "info message\n");
printk(KERN_WARNING "warning message\n");
printk(KERN_ERR "error message\n");
printk(KERN_DEBUG "debug message\n");

常用级别（从高到低）： | 宏 | 数值 | 含义 | |----|------|------| | KERN_EMERG | 0 | 系统崩溃 | | KERN_ALERT | 0 | 必须立即处理 | | KERN_CRIT | 2 | 严重错误 | | KERN_ERR | 3 | 一般错误 | | KERN_WARNING | 4 | 警告 | | KERN_NOTICE | 5 | 正常但重要 | | KERN_INFO | 6 | 信息性 | | KERN_DEBUG | 7 | 调试信息 |

符号导出

// 导出函数供其他模块使用
EXPORT_SYMBOL(my_function);
// 导出 GPL-only 符号
EXPORT_SYMBOL_GPL(my_function);

模块加载/卸载命令

insmod hello.ko          # 加载模块
rmmod hello              # 卸载模块（不检查依赖）
lsmod                    # 列出已加载模块
modprobe hello           # 加载模块（自动处理依赖）
modprobe -r hello        # 卸载模块（自动处理依赖）
dmesg                    # 查看内核日志（printk 输出）

5.3 代码示例（完整可编译，附gcc命令）

hello.c

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

static int hello_value = 0;
module_param(hello_value, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(hello_value, "A demonstration parameter");

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, kernel world! value=%d\n", hello_value);
    return 0;  // 返回0表示成功
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, kernel world!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Example");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

Makefile

# 内核模块 Makefile（放在与 .c 文件同一目录）

obj-m := hello.o

# 指定内核源码路径（根据实际路径修改）
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

# 当前目录
PWD := $(shell pwd)

all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

编译与运行

# 编译
make

# 加载模块
sudo insmod hello.ko value=42

# 查看输出
dmesg | tail
# [xxxxx] Hello, kernel world! value=42

# 查看模块参数
cat /sys/module/hello/parameters/hello_value
# 42

# 卸载模块
sudo rmmod hello

# 查看卸载输出
dmesg | tail
# [xxxxx] Goodbye, kernel world!

# 清理编译产物
make clean

5.4 注意事项与易错点

MODULE_LICENSE 必须设置：否则内核标记为 tainted，无法使用 EXPORT_SYMBOL_GPL 导出的符号
init/exit 函数加 __init / __exit：告诉编译器这些函数只在初始化/退出时使用，可以释放其内存
模块返回值：module_init 函数返回 0 表示成功，负值表示失败（如 -ENOMEM）
printk 必须加 \n：内核 printk 不会自动换行，不加 \n 会导致 dmesg 输出混乱
内核代码不能用 return 在 module_exit 中：module_exit 函数无返回值（void）
insmod vs modprobe：insmod 不处理模块依赖，modprobe 会自动加载依赖模块
模块参数在加载后修改：通过 sysfs 修改的参数不会影响已运行逻辑（需在代码中读取）

5.5 面试要点（3-5个Q&A）

Q1：内核模块和普通应用程序的入口函数有什么区别？ A：应用程序从 main() 开始执行，内核模块使用 module_init() 宏注册初始化函数，模块被加载（insmod/modprobe）时才执行该函数。卸载时执行 module_exit() 注册的清理函数。

Q2：为什么内核模块中推荐使用 printk 而不是 printf？ A：内核没有链接 libc，printf 不可用。printk 是内核自带的打印函数，支持日志级别控制（KERN_INFO、KERN_ERR 等），输出到内核环形缓冲区，可通过 dmesg 查看。

Q3：insmod 和 modprobe 有什么区别？ A：insmod 直接加载指定的 .ko 文件，不处理模块间的依赖关系。modprobe 会根据 /lib/modules/$(uname -r)/modules.dep 自动加载被依赖的模块，卸载时也会递归卸载未被其他模块使用的依赖。

Q4：模块参数的权限值 0644 是什么意思？ A：0644 是八进制权限，表示文件所有者可读写（6），组用户和其他用户只读（4,4）。对应到 sysfs 中，用户可通过 /sys/module/<mod>/parameters/<param> 读取和写入该参数。

Q5：EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 有什么区别？ A：EXPORT_SYMBOL 导出的符号可被任何模块使用（包括非 GPL 模块）。EXPORT_SYMBOL_GPL 导出的符号只能被声明为 GPL 兼容许可证的模块使用。内核推荐使用 EXPORT_SYMBOL_GPL。

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