Linux内核模块简介

13360509869 · 发表于 2020-10-28 10:55

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Linux系统内核按体积和功能的不同，可以分为两种：微内核与单内核。

微内核，体积小，包含的功能也少，只负责进行进程调度、进程通信、底层中断等工作，而把传统操作系统内核的其他功能模块，如设备驱动、内存管理、文件系统、网络协议等作为服务器运行于内核之上。每个功能模块都一个单独的进程，它们通过内核转发消息，进行联系，因此微内核更像是一个消息转发站。这种内核结构有利于降低内核各功能模块之时的耦合性，使得在不影响系统其他部分工作的前提下，用更高效的实现代替现有的功能模块的工作更加容易，同时，具有更好的可扩展性。但是，不同功能模块之间的消息传递需要一定的开销，这势必会影响到系统运行的效率。

单内核操作系统采用了内核单一化设计，内核是一个单独的二进制映像，包含操作系统内核的各个组成部分，其模块间的通信是通过直接调用其他模块中的函数实现的，而不是消息传递。单内核又被称做单一内核、大内核、宏内核等。单内核运行时避免了频繁的消息传递，因此执行效率较高，但是从软件工程的角度来说，所有功能模块结合在一起作为一个进行运行，导致内核难以维护和增加新的功能。典型的单内核操作系统有UNIX、Linux、OS/360等。

微内核和单内核各有优缺点，在Linux诞生之初，由于内核结构还曾经引起论战。但如今，Linux已被移植到各平台，早已证明其蓬勃的生命力。

Linux采用单内核结构，同时支持模块特性。模块的全称为动态可加载内核模块，是一种目标对象文件，一般由一组函数或数据结构组成，运行于内核空间，不能被交换出内存。模块没有经过链接，不能独立运行，但是其代码可以在运行时链接到系统中作为内核的一部分运行，动态扩充内核的功能，也可以从内核中卸载。模块一旦被插入到内核，就获得和内核同等的地位，代码与内核代码完全等价。采用模块机制之后，更改内核特性时不再需要重新编译内核，可以把内核编译的很小，只包括一些最常用的功能，而把大部分功能作为模块编译，需要时再动态插入内核，利用模块来实现系统的可扩展性，使得内核结构更加紧凑灵活，这是Linux内核模块的重要作用。

但，操作系统采用内核模块也有不足之处，模块装入内核之后即作为内核一部分运行，获得和内核完全等同的权限，可以访问内核的任意部分，如果模块出了问题，可能会影响到整个操作系统的稳定性，严重时甚至导致内核崩溃。内核中维护了一张符号表，包含了内核中所有全局变量和函数地址，当模块插入到内核时，会所自身的全局变量和函数插入到内核符号表中，当模块卸载时，需要把相应的标识符从内核符号表中删去，这些都产生了系统运行的开销。某些需要插入到内核中的模块，其运行可能依赖于早先插入的模块，因此内核还需要维护模块之间的依赖关系，这些也会造成一定开销。可以用模块机制来实现文件系统、驱动程序等功能，但是操作系统最基础最核心的部分不能使用模块机制，如进程调试、内存管理等功能。

Linux系统包含对内核操作的实用工具软件，如modutils，其包含以下几个程序：

1. insmod：将编译好的模块插入到内核当中。insmod运行时会自动调用模块中的Init_module()。只有超级用户才有使用insmod的权限。

2. rmmod：用来把插入到内核中的模块卸载掉。rmmod运行时会自动调用模块中的cleanup_module()。只有超级用户才有使用rmmod的权限。

3. lsmod：用来显示当前系统中所有正在运行的模块信息。

4. ksyms：用来显示内核符号和模块符号表信息。

5. depmod：处理可加载内核模块的依赖关系。

6. modprobe:根据模块之间的依赖关系自动插入所需模块。

Linux内核模块简单示例：

#define MODULE

#include <linux/module.h>

int init_module(void)

{

printk(“<1>”hello!\n);

return 0;

}

void cleanup_module(void)

{

printk(“<1>”goodbye!\n);

}

上例中定义了宏MODULE，它在程序中并未显示使用，但相当于一个开关，在头文件linux/module.h中，会根据这个宏是否定义过来执行一些操作，因此宏MODULE必须置于头文件语句#include <linux/module.h>之间。

init_module()是模块的必要组成部分，负责向内核注册模块提供新功能，当使用Insmod命令插入模块时，init_module（）会被调用。同理，cleanup_module()也必不可少，每当卸载模块时，该函数会被调用，负责通知内核当前模块已经被卸载。

printk()是内核输出函数，功能与常用的printf（）类似，但是不支持浮点数显示。printk（）是一个内核函数，实现代码包含在内核中，工作在内核空间，而printf（）实现代码在libc中，工作在用户空间。内核代码不能使用用户空间的资源，因此模块只能使用printk（）。printk()可以对显示信息的优先级进行分类，这通过在消息前加一个代表消息优先级的数字或者宏来实现。<linux/kernel.h>中定义了8种消息优先级。

1. KERN_EMERG:优先级别最高，表示最紧急的情况，一般代表系统即将崩溃；

2. KERN_ALERT:优先级别次高，表示非常紧急的情况，需要立刻采取行动；

3. KENR_CRIT：很紧急，常用于发生了严重的软硬件操作失败的情况；

4. KERN_ERR：用于提示发生了错误，常用在驱动程序中，报告来自于硬件的错误；

5. KERN_WARNING:警告级别，表示可能发生错误，但是这类错误通常不会有很严重的后果；

6. KERN_NOTICE:告知级别，表示目前系统出现了一些情况，但属于正常情况。

7. KERN_INFO：提示性信息；

8. KERN_debug:调试信息，级别最低。

每个宏将来被展开后都表现为一个尖括号中的整数值，范围为0~7，数字越小代表优先级越高。