Linux内核及可加载内核模块编程

图1 Linux系统整体结构

图2 Linux的源代码结构

下面显示一段内核模块代码案例：

#include <linux/moduLe.h>
#include <linux/kernel.h 
#include <linux/intt.h>
/*模块的初始化函数lkp_ init()_init是用于初始化的修饰符
*/
static int __init lkp_init(void)
{printk( "<1>Hello ,world!from the kernel space...\n" );return 0;
}
/*模块的退出和清理函数1kp_ exit()
*/
static void __exit lkp_exit(void)
{printk( "<1>Goodbye ,world!leaving kernel space...\n" );
}
module_init(lkp_init);
module_exit(lkp_exit);
/*模块的许可证声明GPL
*/
MODULE_ LICENSE("GPL");

        在此使用了printk0函数，该函数是由内核定义的，功能和C库中的printf()类似，它
把要打印的日志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。

任何模块都要包含的三个头文件:
        #include <linux/module.h>
        #include <linux/kernel.h>
        #incldue <linux/init.h>
        说明: module.h头文件包含了对模块的版本控制; kernel.h包含 了常用的内核函数; init.h包含 了宏__init和__exit，宏__init告诉编译程序相关的函数和变量仅用于初始化，编译程序将标有__init的所有代码存储到特殊的内存段中，初始化结束就释放这段内存。

内核模块的Makefile文件

obj-m:=module_example.o    #产生module_example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-S(LINUX_KERNEL)    #linux内核源代码的绝对路径all:make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules #编译模快
clean:make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean    #清理模块

        第一行中的obj-m :=这个赋值语句的含义是说明要使用目标文件module_example.o建立一个模块，最后生成的模块名为module_ example.ko。.0文件是经过编译和汇编，而没有经过链接的中间文件。
        注: makefile文件中， 若某一 行是命令，则它必须以一个Tab键开头。

模块插入命令:
$insmod module_ example.ko
模块删除命令:
$rmmod module_ example
查看模块信息的命令:
$dmesg

Linux内核模块与C应用的对比

操作系统接口

OS是如何对系统调用进行处理的?
系统调用发生在用户态，当调用了系统调用后就陷入到内核态。如何陷入？比如，在比如DOS的软中断int 21H；Linux下的int 0x80；处理器不同指令不同，我们统一把他叫做陷入指令。OS比较理智，它会在陷入之前先把自己当时执行的CPU现场保存起来，然后进行压栈，给自己留下退路；接下来就是让内核执行一段程序，这段程序叫系统调用服务例程，比如执行sub1在显示器上输出；内核把这种脏活累活于完以后，它会理智的撤出（就是把堆栈中东西弹出来就行)。

系统调用与一般过程调用有何不同?

        系统调用要涉及到CPU状态的转换，首先从用户态陷入到内核态，在内核执行系统调用服务例程，处理结束后，返回用户态；一般的程序它调用的时候在用户态也可能在内核态，只是一个函数调用另外一个函数而已，不存在CPU状态的转换 。

Linux各种接口

        不管是图形接口还是命令行接口，都统称为用户接回，因为图形界面只是一种与用户更方便打交道的方式，其本质还是一堆实用程序的集合。而库函数，如printf，open，read等等，这些库函数实际上很多也只是穿了件衣服，尤其是与硬件或者系统打交道的话，并不是库函数干的，实际上是操作系统干的，这就是系统调用接口。
系统调用与API

        系统调用是与具体操作系统相关的，而AP1是遵循POSIX标准的，Linux的ibc库的函数malloc和free都叫做API，其实现都调用了brk系统调用；另一方面，一个API实现可能会调用好几个系统调用，而有些AP甚至不需要任何系统调用，比如说strepy函数，因为它们不需要内核提供的服务
系统调用-内核的出口

        系统调用，顾名思义说的是操作系统提供给用户程序调用的一组特殊接口，从逻辑上来说，系统调用可被看成是一个内核与用户空间进行交互的接口，它好比一个中间人，把 用户进程请求传达给内核，待内核把请求处理完毕后，再将处理结果送回给用户空间。

        如图为Linux系统中，各个子系统相关的工具集，在这里可以通过strace命令查看个应用程序所调用的系统调用，strace被称为神器，它是Linux环境下的一款程序调试工具，它可以统计每一个系统调用所执行的时间、被调用的次数和出错的次数，例如“strace -c 可执行文件名”，它把执行的时间以微妙为单位的每个系统调用平均耗时、调用次数、错误次数以及系统调用名称显示在表格中。        

从用户态函数到系统调用

        比如在程序中调用fwrite函数,图中①,而fwrite函数在glibc库中调用系统调用write()(图中②)，然后从用户态陷入内核态(图中③)，查找系统调用表syscall table ( 图中④)，在内中中对应的系统调用服务例程为sys_write,然后在内核执行该例程.