Linux内核模块编程
内核模块编程之入门（一）-话说模块
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），我们简称为模块。
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。以下例子针对2.6内核
1．程序举例
hellomod.c
001 // hello world driver for Linux 2.6
004 #include <linux/module.h>
005 #include <linux/kernel.h>
006 #include <linux/init.h> /* 必要的头文件*/
009 static int __init lkp_init( void )
{
printk(“<1>Hello,World! from the kernel space…\n”);
return 0; 013
}
012
015 static void __exit lkp_cleanup( void )
{
printk(“<1>Goodbye, World! leaving kernel space…\n”);
}
018
020 module_init(lkp_init);
021 module_exit(lkp_cleanup);
022 MODULE_LICENSE(“GPL”);
．说明
第4行：
所有模块都要使用头文件module.h，此文件必须包含进来。
第5行：
头文件kernel.h包含了常用的内核函数。
第6行：
头文件init.h包含了宏_init和_exit，它们允许释放内核占用的内存。
建议浏览一下该文件中的代码和注释。
第9-12行：
这是模块的初始化函数，它必需包含诸如要编译的代码、初始化数据结构等内容。
第11行使用了printk()函数，该函数是由内核定义的，功能与C库中的printf()类似，
它把要打印的信息输出到终端或系统日志。字符串中的<1>是输出的级别，
表示立即在终端输出。
第15-18行：
这是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。
第20行：
这是驱动程序初始化的入口点。对于内置模块，内核在引导时调用该入口点；
对于可加载模块则在该模块插入内核时才调用。
第21行：
对于可加载模块，内核在此处调用module_cleanup（）函数，而对于内置的模块，
它什么都不做。
第22行：
提示可能没有GNU公共许可证。有几个宏是在2.4版的内核中才开发的（详情参见modules.h）。
函数module_init()和cleanup_exit()是模块编程中最基本也是必须的两个函数。
module_init()向内核注册模块所提供的新功能，
而cleanup_exit()注销由模块提供的所有功能。
内核模块编程之入门（二）—必备知识
模块编程属于内核编程，因此，除了对内核相关知识有所了解外，还需要了解与模块相关的知识。
1．应用程序与内核模块的比较 为了加深对内核模块的了解，表一给出应用程序与内核模块程序的比较。
表一 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 |
从表一我们可以看出，内核模块程序不能调用libc库中的函数，它运行在内核空间，且只有超级用户可以对其运行。另外，
模块程序必须通过module_init()和module-exit()函数来告诉内核“我来了”和“我走了”。
2．内核符号表（如果对以下第2~4点理解上有困难，可以越过）
如 前所述，Linux内核是一个整体结构，像一个圆球，而模块是插入到内核中的插件。尽管内核不是一个可安装模块，但为了方便起见，Linux把内核也看作
一个“母”模块。那么模块与模块之间如何进行交互呢，一种常用的方法就是共享变量和函数。但并不是模块中的每个变量和函数都能被共享，内核只把各个模块中
主要的变量和函数放在一个特定的区段，这些变量和函数就统称为符号。到低哪些符号可以被共享？ Linux内核有自己的规定。对于内核这个特殊的母模块，
在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号，例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下：
/* 进程管理 */
EXPORT_SYMBOL(do_mmap_pgoff);
EXPORT_SYMBOL(do_munmap);
EXPORT_SYMBOL(do_brk);
EXPORT_SYMBOL(exit_mm);
…
EXPORT_SYMBOL(schedule);
EXPORT_SYMBOL(jiffies);
EXPORT_SYMBOL(xtime);
…
你可能对这些变量和函数已经很熟悉。其中宏定义EXPORT_SYMBOL（）本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢？因为这些符号本来是内核内部的符号，
通过这个宏放在一个公开的地方，使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。
实际上，仅仅知道这些符号的名字是不够的，还得知道它们在内核地址空间中的地址才有意义。因此，内核中定义了如下结构来描述模块的符号：
struct module_symbol
{
unsigned long value; ／*符号在内核地址空间中的地址*/
const char *name; /*符号名*/
};
我们可以从/proc/ksyms文件中读取所有内核模块“移出”的符号，这所有符号就形成内核符号表，其格式如下：
内存地址 符号名 ［所属模块］
在模块编程中，可以根据符号名从这个文件中检索出其对应的地址，然后直接访问该地址从而获得内核数据。第三列“所属模块”指符号所在的模块名，
对于从内核这一母模块移出的符号，这一列为空。
模块加载后，2.4内核下可通过 /proc/ksyms、 2.6 内核下可通过/proc/kallsyms查看模块输出的内核符号
3．模块依赖
如前所述，内核符号表记录了所有模块可以访问的符号及相应的地址。当一个新的模块被装入内核后，它所申明的某些符号就会被登记到这个表中，
而这些符号可能被其他模块所引用，这就引出了模块依赖这个问题。一个模块A引用另一个模块B所移出的符号，我们就说模块B被模块A引用，
或者说模块A依赖模块B。如果要链接模块A，必须先链接模块B。这种模块间相互依赖的关系就叫模块依赖。
4．模块引用计数器
为 了确保模块安全地卸载，每个模块都有一个引用计数器。当执行模块所涉及的操作时就递增计数器，在操作结束时就递减这个计数器；另外，当模块B被模块A引用 时，
模块B的引用计数就递增，引用结束，计数器递减。什么时候可以卸载这个模块？当然只有这个计数器值为0的时候，例如，当一个文件系统还被安装在系统上
时就不能将其卸载，当这个文件系统不再被使用时，引用计数器就为0，于是可以卸载。
四．模块编译
Linux 中最重要的软件开发工具是 GCC。GCC 是 GNU 的 C 和 C++ 编译器。但是，在大型的开发项目中，通常有几十到上百个的源文件，如果每次均手工键入 gcc 命令
进行编译的话，则会非常不方便。因此，人们通常利用 make 工具来自动完成编译工作。利用这种自动编译可大大简化开发工作，避免不必要的重新编译。这些工作包括：
如果仅修改了某几个源文件，则只重新编译这几个源文件；如果某个头文件被修改了，则重新编译所有包含该头文件的源文件。
1．编译工具make
实际上，make 工具通过一个称为 Makefile 的文件来完成并自动维护编译工作。Makefile 需要按照某种语法进行编写，其中说明了如何编译各个源文件并连接生成可执
行文件，并定义了源文件之间的依赖关系。下面给出2.6 内核模块的Makefile模板（请参看Makefile的写法）
|
# Makefile2.6 obj-m += hellomod.o # 产生hellomod 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 #编译模块了 clean: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean #清理 |
注意： 在每个命令前（例如make命令前）要键入一个制表符（按TAB键产生）
有了Makefile,执行make命令，会自动形成相关的后缀为.o和.ko文件。 到此，模块编译好了，该把它插入到内核了： 如：$insmod hellomod.ko
当然，要以系统员的身份才能把模块插入。
成功插入后，可以通过dmesg命令查看，屏幕最后几行的输出就是你程序中输出的内容：Hello,World! from the kernel space…
当模块不再需要时，可以通过rmmod命令移去，例如
$rmmod hellomod
内核模块编程之入门（三）—模块实用程序介绍
modutils是管理内核模块的一个软件包。可以在任何获得内核源代码的地方获取Modutils(modutils-x.y.z.tar.gz)源代码，
然后选择最高级别的patch.x.y.z等于或小于当前的内核版本，安装后在/sbin目录下就会有insomod、rmmod、ksyms、lsmod、modprobe等实用程序。
当然，通常我们在加载Linux内核时，modutils已经被载入。
1．Insmod命令
调用insmod程序把需要插入的模块以目标代码的形式插入到内核中。在插入的时候，insmod自动调用init_module()函数运行。注意，
只有超级用户才能使用这个命令，其命令格式为：
# insmod [path] modulename.c
2. rmmod命令
调用rmmod程序将已经插入内核的模块从内核中移出，rmmod会自动运行cleanup_module()函数，其命令格式为：
#rmmod [path] modulename.c
3．lsmod命令
调用lsmod程序将显示当前系统中正在使用的模块信息。实际上这个程序的功能就是读取/proc文件系统中的文件/proc/modules中的信息，
其命令格式为：
#lsmod
4．ksyms命令
ksyms这个程序用来显示内核符号和模块符号表的信息。与lsmod相似，它的功能是读取/proc文件系统中的另一个文件/proc/kallsyms。
内核模块编程之进阶（四）-编写带参数的中断模块
在此，我们将编写一个模块，其中有一个中断函数，当内核接收到某个 IRQ 上的一个中断时会调用它。先给出全部代码，读者自己调试，把对该程序的理解跟到本贴后面。
—————————————-
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/interrupt.h>
static int irq;
static char *interface;
//MODULE_PARM_DESC(interface,”A network interface”); 2.4内核中该宏的用法
molule_param(interface,charp,0644) //2.6内核中的宏
//MODULE_PARM_DESC(irq,”The IRQ of the network interface”);
module_param(irq,int,0644);
static irqreturn_t myinterrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
static int mycount = 0;
if (mycount < 10)
{
printk(“Interrupt!\n”);
mycount++;
}
return IRQ_NONE;
}
static int __init myirqtest_init(void)
{
printk (“My module worked!11111\n”);
if (request_irq(irq, &myinterrupt, IRQF_SHARED,interface, &irq))
{
printk(KERN_ERR “myirqtest: cannot register IRQ %d\n”, irq);
return -EIO;
}
printk(“%s Request on IRQ %d succeeded\n”,interface,irq);
return 0;
}
static void __exit myirqtest_exit(void)
{
printk (“Unloading my module.\n”); free_irq(irq, &irq);
printk(“Freeing IRQ %d\n”, irq);
return;
}
module_init(myirqtest_init);
module_exit(myirqtest_exit);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
—————————————- 这里要说明的是，在插入模块时，可以带两个参数，
例如 insmod myirq.ko interface=eth0 irq=9 其中 具体网卡 irq的值可以查看 cat /proc/interrupts
动手吧！以此为例，可以设计出各种各样有价值的内核模块，贴出来体验分享的快乐吧。
内核模块编程之进阶（五）-授人以渔
在上一部分“编写带有参数的中断模块”中，这个看似简单的程序，你调试并运行以后思考了哪些方面的问题？
（1）给模块传递参数，使得这个模块的扩展和应用有了空间,例如，在我的机器上查看/proc/interrupts
CPU0
0: 10655925 IO-APIC-edge timer
1: 9148 IO-APIC-edge i8042
6: 4 I O-APIC-edge floppy
7: 0 IO-APIC-edge parport0
8: 3 IO-APIC-edge rtc
9: 0 IO-APIC-fasteoi acpi
12: 41970 IO-APIC-edge i8042
15: 106157 IO-APIC-edge ide1
16: 57823 IO-APIC-fasteoi ioc0
17: 8090 IO-APIC-fasteoi eth0
18: 245 IO-APIC-fasteoi uhci_hcd:usb1, Ensoniq AudioPCI, usb
NMI: 0
LOC: 10249542
ERR: 0
MIS: 0
然后，在插入模块时，你对每个中断都作为参数试运行一下，看看会出现什么问题？思考一下irq为0,3等值时，为什么插入失败？
这就引出中断的共享和非共享问题，从而促使你分析Linux对共享的中断到底如何处理，共享同一个中断号的中断处理程序到底如何执行？
2. 对于myinterrupt（）函数，可以进行怎样的改进，使得这个自定义的中断处理程序变得有实际意义？
static irqreturn_t myinterrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
static int mycount = 0;
if (mycount < 10)
{
printk(“Interrupt!\n”);
mycount++;
}
return IRQ_NONE;
}
比如，对于网卡中断，在此收集每一次中断发生时，从网卡接收到的数据，把其存入到文件中。以此思路，随你考虑应用场景了。
3. 模块机制给Linux内核的扩展和应用提供了方便的入口，在我们内核之旅http://www.kerneltravel.net 的电子杂志部分，针对内核相关的内容，
每一部分都有相对比较实际的内核应用题目，感兴趣者可以去实践，前提是对内核相关内容的彻透理解。
内核模块编程之进阶（六）-小任务机制实例
在调试该程序的时候请保证调试了带参数的中断程序实例内的程序，并且对中断有了一定的学习。
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>
static int irq;
static char *interface;
module_param(interface,charp,0644);
module_param(irq,int,0644);
static int mycount = 0;
static long mytime = 0;
static unsigned long data=0;
static struct tasklet_struct mytasklet;//定义小任务
//小任务函数
static void mylet(unsigned long data)
{
printk(“tasklet running.\n”);
if(mycount==0)
mytime=jiffies;
if (mycount < 10)
{
mytime=jiffies-mytime;
printk(“Interrupt number %d –time %ld \n”,irq,mytime);
mytime=jiffies;
}
mycount++;
return;
}
//中断服务程序
static irqreturn_t myinterrupt(int intno,void *dev_id)
{
tasklet_schedule(&mytasklet);//调度小任务，让它运行
return IRQ_NONE;
}
static int __init mytasklet_init(void)
{
printk(“init…\n”);
tasklet_init(&mytasklet, mylet,data);//初始化小任务
tasklet_schedule(&mytasklet);
if (request_irq(irq,&myinterrupt,IRQF_SHARED,interface,&irq))
{
printk(KERN_ERR “myirqtest: cannot register IRQ %d\n”, irq);
tasklet_kill(&mytasklet);//删除小任务
free_irq(irq,&irq);//释放中断
return -EIO;
}
printk(“%s Request on IRQ %d succeeded\n”,interface,irq);
return 0;
}
static void __exit mytasklet_exit(void)
{
tasklet_kill(&mytasklet);//删除小任务
free_irq(irq,&irq);//释放中断
printk(“Freeing IRQ %d\n”, irq);
printk(“exit…\n”);
return;
}
MODULE_AUTHOR(“Helight.Xu”);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
module_init(mytasklet_init);
module_exit(mytasklet_exit);
内核模块编程之进阶（七）-小任务机制实例
在调试该程序的时候请保证调试了2.6内核模块编程之<< Hello World! >>内的程序，并且对中断有了一定的学习。
/*myirq.c*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/interrupt.h>
static int irq;
static char *interface;
module_param(interface,charp,0644);
module_param(irq,int,0644);
//static irq_handler_t myinterrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
static irqreturn_t myinterrupt(int irq, void *dev_id)
{
static int mycount = 0;
static long mytime = 0;
struct net_device *dev=(struct net_device *)dev_id;
if(mycount==0)
{
mytime=jiffies;
}
//count the interval between two irqs
if (mycount < 10)
{
mytime=jiffies-mytime;
printk(“Interrupt number %d — intterval(jiffies) %ld — jiffies:%ld \n”, irq,mytime, jiffies);
mytime=jiffies;
//printk(“Interrupt on %s —–%d \n”,dev->name,dev->irq);
}
mycount++;
return IRQ_NONE;
}
static int __init myirqtest_init(void)
{
printk (“My module worked!\n”);
//regist irq
//if (request_irq(irq,&myinterrupt,SA_SHIRQ,interface,&irq)) { //early than 2.6.23
if (request_irq(irq,&myinterrupt,IRQF_SHARED,interface,&irq)) { //later than 2.6.23
printk(KERN_ERR “myirqtest: cannot register IRQ %d\n”, irq);
return -EIO;
}
printk(“%s Request on IRQ %d succeeded\n”,interface,irq);
return 0;
}
static void __exit myirqtest_exit(void)
{
printk (“Unloading my module.\n”);
free_irq(irq, &irq); //release irq
printk(“Freeing IRQ %d\n”, irq);
return;
}
module_init(myirqtest_init);
module_exit(myirqtest_exit);
MODULE_AUTHOR(“Helight.Xu”);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
编译使用该模块：
使用Makefile文件的内容如下
obj-m := myirq.o
KERNELDIR := /usr/src/kernels/linux-2.6.24/
all:
make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions
在查看 /proc/interrupts文件后，确定要共享的中断号（应为该程序是共享中断号的），使用下面的命令插入模块。
insmod myirq.ko irq=2 interface=myirq
内核模块编程之进阶（八）-中断处理的tasklet（小任务）机制
中断服务程序一般都是在中断请求关闭的条件下执行的,以避免嵌套而使中断控制复杂化。但是，中断是一个随机事件，它随时会到来，
如果关中断的时间太长，CPU就不能及时响应其他的中断请求，从而造成中断的丢失。因此，内核的目标就是尽可能快的处理完中断请求，
尽其所能把更多的处理向后推迟。例如，假设一个数据块已经达到了网线，当中断控制器接受到这个中断请求信号时，Linux内核只是
简单地标志数据到来了，然后让处理器恢复到它以前运行的状态，其余的处理稍后再进行（如把数据移入一个缓冲区，接受数据的进程
就可以在缓冲区找到数据）。因此，内核把中断处理分为两部分：上半部（top half）和下半部（bottom half），上半部（就是中断服务
程序）内核立即执行，而下半部（就是一些内核函数）留着稍后处理：
首先，一个快速的“上半部”来处理硬件发出的请求，它必须在一个新的中断产生之前终止。通常，除了在设备和一些内存缓冲区（如果
你的设备用到了DMA，就不止这些）之间移动或传送数据，确定硬件是否处于健全的状态之外，这一部分做的工作很少。
下半部运行时是允许中断请求的，而上半部运行时是关中断的，这是二者之间的主要区别。
但是，内核到底什时候执行下半部，以何种方式组织下半部？这就是我们要讨论的下半部实现机制，这种机制在内核的演变过程中不断
得到改进，在以前的内核中，这个机制叫做bottom half(简称bh)，在2.4以后的版本中有了新的发展和改进，改进的目标使下半部可以
在多处理机上并行执行，并有助于驱动程序的开发者进行驱动程序的开发。下面主要介绍常用的小任务(Tasklet)机制及2.6内核中的
工作队列机制。除此之外，还简要介绍2.4以前内核中的下半部和任务队列机制。
1 小任务机制
这里的小任务是指对要推迟执行的函数进行组织的一种机制。其数据结构为tasklet_struct，每个结构代表一个独立的小任务，其定义如下：
struct tasklet_struct {
struct tasklet_struct *next; /*指向链表中的下一个结构*/
unsigned long state; /* 小任务的状态 */
atomic_t count; /* 引用计数器 */
void (*func) (unsigned long); /* 要调用的函数 */
unsigned long data; /* 传递给函数的参数 */
}；
结构中的func域就是下半部中要推迟执行的函数 ，data是它唯一的参数。
State域的取值为TASKLET_STATE_SCHED或TASKLET_STATE_RUN。TASKLET_STATE_SCHED表示小任务已被调度，正准备
投入运行，TASKLET_STATE_RUN表示小任务正在运行。TASKLET_STATE_RUN只有在多处理器系统上才使用，单处理器系统什么
时候都清楚一个小任务是不是正在运行（它要么就是当前正在执行的代码，要么不是）。
Count域是小任务的引用计数器。如果它不为0，则小任务被禁止，不允许执行；只有当它为零，小任务才被激活，并且在被设置为
挂起时，小任务才能够执行。
2 声明和使用小任务
大多数情况下，为了控制一个寻常的硬件设备，小任务机制是实现下半部的最佳选择。小任务可以动态创建，使用方便，执行起来也比较快。
我们既可以静态地创建小任务，也可以动态地创建它。选择那种方式取决于到底是想要对小任务进行直接引用还是一个间接引用。如果准备
静态地创建一个小任务（也就是对它直接引用），使用下面两个宏中的一个：
DECLARE_TASKLET(name, func, data)
DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data)
这两个宏都能根据给定的名字静态地创建一个tasklet_struct结构。当该小任务被调度以后，给定的函数func会被执行，它的参数由data给出。
这两个宏之间的区别在于引用计数器的初始值设置不同。第一个宏把创建的小任务的引用计数器设置为0，因此，该小任务处于激活状态。
另一个把引用计数器设置为1，所以该小任务处于禁止状态。例如：
DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_handler, dev);
这行代码其实等价于
struct tasklet_struct my_tasklet = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), tasklet_handler, dev};
这样就创建了一个名为my_tasklet的小任务，其处理程序为tasklet_handler，并且已被激活。当处理程序被调用的时候，dev就会被传递给它。
3 编写自己的小任务处理程序
小任务处理程序必须符合如下的函数类型：
void tasklet_handler(unsigned long data)
由于小任务不能睡眠，因此不能在小任务中使用信号量或者其它产生阻塞的函数。但是小任务运行时可以响应中断。
4 调度自己的小任务
通过调用tasklet_schedule()函数并传递给它相应的tasklt_struct指针，该小任务就会被调度以便适当的时候执行：
tasklet_schedule(&my_tasklet); /*把 my_tasklet 标记为挂起 */
在小任务被调度以后，只要有机会它就会尽可能早的运行。在它还没有得到运行机会之前，如果一个相同的小任务又被调度了，那么它仍然只会运行一次。
可以调用tasklet_disable()函数来禁止某个指定的小任务。如果该小任务当前正在执行，这个函数会等到它执行完毕再返回。
调用tasklet_enable()函数可以激活一个小任务，如果希望把以DECLARE_TASKLET_DISABLED（）创建的小任务激活，也得调用这个函数，如：
tasklet_disable(&my_tasklet); /* 小任务现在被禁止,这个小任务不能运行 */
tasklet_enable(&my_tasklet); /* 小任务现在被激活 */
也可以调用tasklet_kill()函数从挂起的队列中去掉一个小任务。该函数的参数是一个指向某个小任务的tasklet_struct的长指针。在小任务重新调度它自身的时候，从挂起的队列中移去已调度的小任务会很有用。这个函数首先等待该小任务执行完毕，然后再将它移去。
5 tasklet的简单用法
下面是tasklet的一个简单应用, 以模块的形成加载。
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>
static struct tasklet_struct my_tasklet;
static void tasklet_handler (unsigned long data)
{
printk(KERN_ALERT "tasklet_handler is running.\n");
}
static int __init test_init(void)
{
tasklet_init(&my_tasklet, tasklet_handler, 0);
tasklet_schedule(&my_tasklet);
return 0;
}
static void __exit test_exit(void)
{
tasklet_kill(&my_tasklet);
printk(KERN_ALERT "test_exit running.\n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
内核模块编程之进阶（九）-Linux 可加载内核模块剖析
级别： 中级 M. Tim Jones, 顾问工程师, Emulex Corp. 2008 年 8 月 07 日
Linux® 可加载内核模块（从内核的 1.2 版本开始引入）是 Linux 内核的最重要创新之一。它们提供了可伸缩的、
动态的内核。探索隐藏在可加载模块后面的原理，并学习这些独立的对象如何动态地转换成 Linux 内核的一部分。
Linux 就是通常所说的单内核（monolithic kernel），即操作系统的大部分功能都被称为内核，并在特权模式下运行。它与微型内核 不同，
后者只把基本的功能（进程间通信 [IPC]、调度、基本的输入/输出 [I/O] 和内存管理）当作内核运行，而把其他功能（驱动程序、网络堆栈和
文件系统）排除在特权空间之外。因此，您可能认为 Linux 是一个完全静态的内核，但事实恰恰相反。通过 Linux 内核模块（LKM）可以在
运行时动态地更改 Linux。
可动态更改 是指可以将新的功能加载到内核、从内核去除某个功能，甚至添加使用其他 LKM 的新 LKM。LKM 的优点是可以最小化内核的
内存占用，只加载需要的元素（这是嵌入式系统的重要特性）。 Linux 不是可以进行动态更改的惟一（也不是第一个）单内核。
Berkeley Software Distribution（BSD）的变体、Sun Solaris、更老的内核（比如 OpenVMS），以及其他流行的操作系统（比如
Microsoft® Windows® 和 Apple Mac OS X）都支持可加载模块。 LKM 与直接编译到内核或典型程序的元素有根本区别。典型的程序有一个
main 函数，其中 LKM 包含 entry 和 exit 函数（在 2.6 版本，您可以任意命名这些函数）。当向内核插入模块时，调用 entry 函数，从内核删除模块
时则调用 exit 函数。因为 entry 和 exit 函数是用户定义的，所以存在 module_init 和 module_exit 宏，用于定义这些函数属于哪种函数。LKM
还包含一组必要的宏和一组可选的宏，用于定义模块的许可证、模块的作者、模块的描述等等。图 1 提供了一个非常简单的 LKM 的视图。
2.6 版本的 Linux 内核提供了一个新的更简单的方法，用于构建 LKM。
构建 LKM 时，可以使用典型的用户工具管理模块（尽管内部已经改变）：标准insmod（安装 LKM），rmmod （删除 LKM），
modprobe（insmod 和 rmmod 的包装器），depmod（用于创建模块依赖项），以及 modinfo（用于为模块宏查找值）。更多关于为 2.6 版本内核
构建 LKM 的信息，请查看 参考资料。
LKM 只不过是一个特殊的可执行可链接格式（Executable and Linkable Format，ELF）对象文件。通常，必须链接对象文件才能在可执行文件
中解析它们的符号和结果。由于必须将 LKM 加载到内核后 LKM 才能解析符号，所以 LKM 仍然是一个 ELF 对象。您可以在 LKM 上使用标准对象
工具（在 2.6 版本中，内核对象带有后缀 .ko,）。例如，如果在 LKM 上使用 objdump 实用工具，您将发现一些熟悉的区段（section），
比如 .text（说明）、.data（已初始化数据）和 .bss（块开始符号或未初始化数据）。 您还可以在模块中找到其他支持动态特性的
区段。.init.text 区段包含 module_init 代码，.exit.text 区段包含 module_exit 代码（参见图 2）。.modinfo 区段包含各种表示模块许可证、
作者和描述等的宏文本。
了解 LKM 的基础知识之后，现在我们进一步探索模块是如何进入内核的，以及在内核内部是如何管理模块的。
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在用户空间中，insmod（插入模块）启动模块加载过程。insmod 命令定义需要加载的模块，并调用 init_module 用户空间系统调用，
开始加载过程。2.6 版本内核的 insmod 命令经过修改后变得非常简单（70 行代码），可以在内核中执行更多工作。insmod 并不进行所有
必要的符号解析（处理kerneld），它只是通过 init_module 函数将模块二进制文件复制到内核，然后由内核完成剩余的任务。
init_module 函数通过系统调用层，进入内核到达内核函数 sys_init_module（参见图 3）。这是加载模块的主要函数，它利用许多
其他函数完成困难的工作。类似地，rmmod 命令会使 delete_module 执行 system call 调用，而 delete_module 最终会进入内核，
并调用 sys_delete_module 将模块从内核删除。
在模块的加载和卸载期间，模块子系统维护了一组简单的状态变量，用于表示模块的操作。加载模块时，状态为 MODULE_STATE_COMING。
如果模块已经加载并且可用，状态为 MODULE_STATE_LIVE。此外，卸载模块时，状态为 MODULE_STATE_GOING。
现在，我们看看加载模块时的内部函数（参见图 4）。当调用内核函数 sys_init_module 时，会开始一个许可检查，查明调用者是否有
权执行这个操作（通过 capable 函数完成）。然后，调用 load_module 函数，这个函数负责将模块加载到内核并执行必要的调试（后面
还会讨论这点）。load_module函数返回一个指向最新加载模块的模块引用。这个模块加载到系统内具有双重链接的所有模块的列表上，
并且通过 notifier 列表通知正在等待模块状态改变的线程。最后，调用模块的 init() 函数，更新模块状态，表明模块已经加载并且可用。
加载模块的内部细节是 ELF 模块解析和操作。load_module 函数（位于 ./linux/kernel/module.c）首先分配一块用于容纳整个 ELF 模块
的临时内存。然后，通过 copy_from_user 函数将 ELF 模块从用户空间读入到临时内存。作为一个 ELF 对象，这个文件的结构非常独特，
易于解析和验证。 下一步是对加载的 ELF 映像执行一组健康检查（它是有效的 ELF 文件吗？它适合当前的架构吗？等等）。完成健康检查后，
就会解析 ELF 映像，然后会为每个区段头创建一组方便变量，简化随后的访问。因为 ELF 对象的偏移量是基于 0 的（除非重新分配），所以
这些方便变量将相对偏移量包含到临时内存块中。在创建方便变量的过程中还会验证 ELF 区段头，确保加载的是有效模块。 任何可选的模块
参数都从用户空间加载到另一个已分配的内核内存块（第 4 步），并且更新模块状态，表明模块已加载（MODULE_STATE_COMING）。如果
需要 per-CPU 数据（这在检查区段头时确定），那么就分配 per-CPU 块。 在前面的步骤，模块区段被加载到内核（临时）内存，并且知道
哪个区段应该保持，哪个可以删除。步骤 7 为内存中的模块分配最终的位置，并移动必要的区段（ELF 头中的 SHF_ALLOC，或在执行期间占用
内存的区段）。然后执行另一个分配，大小是模块必要区段所需的大小。迭代临时 ELF 块中的每个区段，并将需要执行的区段复制到新的块中。
接下来要进行一些额外的维护。同时还进行符号解析，可以解析位于内核中的符号（被编译成内核映象），或临时的符号（从其他模块导出）。
然后为每个剩余的区段迭代新的模块并执行重新定位。这个步骤与架构有关，因此依赖于为架构（./linux/arch/<arch>/kernel/module.c）
定义的 helper 函数。最后，刷新指令缓存（因为使用了临时 .text 区段），执行一些额外的维护（释放临时模块内存，设置系统文件），
并将模块最终返回到 load_module。
卸载模块的过程和加载模块基本一样，除了必须进行几个健康检查外（确保安全删除模块）。卸载模块过程首先在用户空间调用 rmmod（删除模块）
命令。在 rmmod 命令内部，对 delete_module 执行系统调用，它最终会导致在内核内部调用 sys_delete_module（查看 图 3）。图 5 演示
了删除模块的基本操作过程。
当调用内核函数 sys_delete_module（将要删除的模块的名称作为参数传入）之后，第一步便是确保调用方具有权限。接下来会检查一个列表，
查看是否存在依赖于这个模块的其他模块。这里有一个名为 modules_which_use_me 的列表，它包含每个依赖模块的一个元素。如果这个列表为空，
就不存在任何模块依赖项，因此这个模块就是要删除的模块（否则会返回一个错误）。接下来还要测试模块是否加载。用户可以在当前安装的模块上
调用rmmod，因此这个检查确保模块已经加载。在几个维护检查之后，倒数第二个步骤是调用模块的 exit 函数（模块内部自带）。最后，调用
free_module函数。 调用 free_module 函数之后，您将发现模块将被安全删除。该模块不存在依赖项，因此可以开始模块的内核清理过程。首先，
从安装期间添加的各种列表中（系统文件、模块列表等）删除模块。其次，调用一个与架构相关的清理例程（可以在 ./linux/arch/<arch>/kernel/module.c
中找到）。然后迭代具有依赖性的模块，并将这个模块从这些列表中删除。最后，从内核的角度而言，清理已经完成，为模块分配的各种内存已被
释放，包括参数内存、per-CPU 内存和模块的 ELF 内存（core 和 init）。
在许多应用程序中，动态加载模块非常重要，但加载之后，就没有必要卸载模块。这允许内核在启动时是动态的（根据找到的设备加载模块），
但并不是在整个操作过程中都是动态的。如果不需要在加载之后卸载模块，那么可以进行一些优化，减少模块管理所需的代码。您可以 “取消” 内核配置
选项CONFIG_MODULE_UNLOAD，删除大量与卸载模块相关的内核功能。
这一直是内核里面模块管理过程的高级视图。要获得模块管理的细节，源代码本身就是最佳的文档。关于在模块管理中调用的主要函数，请查
看 ./linux/kernel/module.c（以及 ./linux/include/linux/module.h 中的头文件）。您还可以在 ./linux/arch/<arch>/kernel/module.c
中找到几个与架构相关的函数。最后，可以在 ./linux/kernel/kmod.c 中找到内核自动加载函数（可以根据需要从内核自动加载模块）。这个功能可以
通过CONFIG_KMOD 配置选项启用。
内核模块编程之进阶（十）-中断处理的工作队列机制
工作队列（work queue）是另外一种将工作推后执行的形式 ，它和我们前面讨论的所有其他形式都有不同。工作队列可以把工作推后，交由
一个内核线程去执行，也就是说，这个下半部分可以在进程上下文中执行。这样，通过工作队列执行的代码能占尽进程上下文的所有优势。最重要的就是
工作队列允许被重新调度甚至是睡眠。
那么，什么情况下使用工作队列，什么情况下使用tasklet。如果推后执行的任务需要睡眠，那么就选择工作队列。如果推后执行的任务不需要睡眠，
那么就选择tasklet。另外，如果需要用一个可以重新调度的实体来执行你的下半部处理，也应该使用工作队列。它是唯一能在进程上下文运行的下半部
实现的机制，也只有它才可以睡眠。这意味着在需要获得大量的内存时、在需要获取信号量时，在需要执行阻塞式的I/O操作时，它都会非常有用。如果
不需要用一个内核线程来推后执行工作，那么就考虑使用tasklet。
1. 工作、工作队列和工作者线程
如前所述，我们把推后执行的任务叫做工作（work），描述它的数据结构为work_struct，这些工作以队列结构组织成工作队列（workqueue），其数据
结构为workqueue_struct，而工作线程就是负责执行工作队列中的工作。系统默认的工作者线程为events,自己也可以创建自己的工作者线程。
2. 表示工作的数据结构
工作用<linux/workqueue.h>中定义的work_struct结构表示：
struct work_struct{
unsigned long pending; /* 这个工作正在等待处理吗？*/
struct list_head entry; /* 连接所有工作的链表 */
void (*func) (void *); /* 要执行的函数 */
void *data; /* 传递给函数的参数 */
void *wq_data; /* 内部使用 */
struct timer_list timer; /* 延迟的工作队列所用到的定时器 */
};
这些结构被连接成链表。当一个工作者线程被唤醒时，它会执行它的链表上的所有工作。工作被执行完毕，它就将相应的work_struct对象从链表上移去。
当链表上不再有对象的时候，它就会继续休眠。
3. 创建推后的工作
要使用工作队列，首先要做的是创建一些需要推后完成的工作。可以通过DECLARE_WORK在编译时静态地建该结构：
DECLARE_WORK(name, void (*func) (void *), void *data);
这样就会静态地创建一个名为name，待执行函数为func，参数为data的work_struct结构。
同样，也可以在运行时通过指针创建一个工作：
INIT_WORK(struct work_struct *work, woid(*func) (void *), void *data);
这会动态地初始化一个由work指向的工作。
4. 工作队列中待执行的函数
工作队列待执行的函数原型是：
void work_handler(void *data)
这个函数会由一个工作者线程执行，因此，函数会运行在进程上下文中。默认情况下，允许响应中断，并且不持有任何锁。如果需要，函数可以睡眠。
需要注意的是，尽管该函数运行在进程上下文中，但它不能访问用户空间，因为内核线程在用户空间没有相关的内存映射。通常在系统调用发生时，
内核会代表用户空间的进程运行，此时它才能访问用户空间，也只有在此时它才会映射用户空间的内存。
5. 对工作进行调度
现在工作已经被创建，我们可以调度它了。想要把给定工作的待处理函数提交给缺省的events工作线程，只需调用
schedule_work(&work)；
work马上就会被调度，一旦其所在的处理器上的工作者线程被唤醒，它就会被执行。
有时候并不希望工作马上就被执行，而是希望它经过一段延迟以后再执行。在这种情况下，可以调度它在指定的时间执行：
schedule_delayed_work(&work, delay);
这时，&work指向的work_struct直到delay指定的时钟节拍用完以后才会执行。
6. 工作队列的简单应用
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/workqueue.h>
static struct workqueue_struct *queue = NULL; static struct work_struct work;
static void work_handler(struct work_struct *data)
{
printk(KERN_ALERT “work handler function.\n”);
}
static int __init test_init(void)
{
queue = create_singlethread_workqueue(“helloworld”); /*创建一个单线程的工作队列*/
if (!queue)
goto err;
INIT_WORK(&work, work_handler);
schedule_work(&work);
return 0;
err:
return -1;
}
static void __exit test_exit(void)
{
destroy_workqueue(queue);
}
MODULE_LICENSE(“GPL”);
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
浙公网安备 33010602011771号