Linux模块机制浅析

Linux允许用户通过插入模块，实现干预内核的目的。一直以来，对linux的模块机制都不够清晰，因此本文对内核模块的加载机制进行简单地分析。模块的Hello World！ 我们通过创建一个简单的模块进行测试。首先是源文件main.c和Makefile。florian@florian-pc:~/module$ cat main.c#include<linux/module.h>#include<linux/init.h> static int __init init（void）{ printk（"Hi module！ "）; return 0;} static void __exit exit（void）{ printk（"Bye module！ "）;} module_init（init）;module_exit（exit）;其中init为模块入口函数，在模块加载时被调用执行，exit为模块出口函数，在模块卸载被调用执行。florian@florian-pc:~/module$ cat Makefileobj-m += main.o#generate the pathCURRENT_PATH:=$（shell pwd）#the current kernel version numberLINUX_KERNEL:=$（shell uname -r）#the absolute pathLINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$（LINUX_KERNEL）#complie objectall: make -C （LINUX K ERNEL P ATH）M= （CURRENT_PATH） modules#cleanclean: make -C （LINUX K ERNEL P ATH）M= （CURRENT_PATH） clean其中，obj-m指定了目标文件的名称，文件名需要和源文件名相同（扩展名除外），以便于make自动推导。然后使用make命令编译模块，得到模块文件main.ko。florian@florian-pc:~/module$ makemake -C /usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic M=/home/florian/module modulesmake[1]: 正在进入目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic" Building modules, stage 2. MODPOST 1 modulesmake[1]:正在离开目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic"使用insmod和rmmod命令对模块进行加载和卸载操作，并使用dmesg打印内核日志。florian@florian-pc:~/module$ sudo insmod main.ko;dmesg | tail -1[31077.810049] Hi module！ florian@florian-pc:~/module$ sudo rmmod main.ko;dmesg | tail -1[31078.960442] Bye module！通过内核日志信息，可以看出模块的入口函数和出口函数都被正确调用执行。模块文件使用readelf命令查看一下模块文件main.ko的信息。florian@florian-pc:~/module$ readelf -h main.koELF Header: Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 Class: ELF32 Data: 2"s complement, little endian Version: 1 （current） OS/ABI: UNIX - System V ABI Version: 0 Type: REL （Relocatable file） Machine: Intel 80386 Version: 0x1 Entry point address: 0x0 Start of program headers: 0 （bytes into file） Start of section headers: 1120 （bytes into file） Flags: 0x0 Size of this header: 52 （bytes） Size of program headers: 0 （bytes） Number of program headers: 0 Size of section headers: 40 （bytes） Number of section headers: 19 Section header string table index: 16我们发现main.ko的文件类型为可重定位目标文件，这和一般的目标文件格式没有任何区别。我们知道，目标文件是不能直接执行的，它需要经过链接器的地址空间分配、符号解析和重定位的过程，转化为可执行文件才能执行。那么，内核将main.ko加载后，是否对其进行了链接呢？模块数据结构首先，我们了解一下模块的内核数据结构。linux3.5.2/kernel/module.h:220struct module{ …… /* Startup function. */ int （*init）（void）; …… /* Destruction function. */ void （*exit）（void）; ……};模块数据结构的init和exit函数指针记录了我们定义的模块入口函数和出口函数。模块加载模块加载由内核的系统调用init_module完成。linux3.5.2/kernel/module.c:3009/* This is where the real work happens */SYSCALL_DEFINE3（init_module, void __user *, umod, unsigned long, len, const char __user *, uargs）{ struct module *mod; int ret = 0; …… /* Do all the hard work */ mod = load_module（umod, len, uargs）;//模块加载 …… /* Start the module */ if （mod->init ！= NULL） ret = do_one_initcall（mod->init）;//模块init函数调用 …… return 0;}系统调用init_module由SYSCALL_DEFINE3（init_module...）实现，其中有两个关键的函数调用。load_module用于模块加载，do_one_initcall用于回调模块的init函数。函数load_module的实现为。linux3.5.2/kernel/module.c:2864/* Allocate and load the module: note that size of section 0 is always zero, and we rely on this for optional sections. */static struct module *load_module（void __user *umod, unsigned long len, const char __user *uargs）{ struct load_info info = { NULL, }; struct module *mod; long err; …… /* Copy in the blobs from userspace, check they are vaguely sane. */ err = copy_and_check（&info, umod, len, uargs）;//拷贝到内核 if （err） return ERR_PTR（err）; /* Figure out module layout, and allocate all the memory. */ mod = layout_and_allocate（&info）;//地址空间分配 if （IS_ERR（mod）） { err = PTR_ERR（mod）; goto free_copy; } …… /* Fix up syms, so that st_value is a pointer to location. */ err = simplify_symbols（mod, &info）;//符号解析 if （err < 0） goto free_modinfo; err = apply_relocations（mod, &info）;//重定位 if （err < 0） goto free_modinfo; ……}函数load_module内有四个关键的函数调用。copy_and_check将模块从用户空间拷贝到内核空间，layout_and_allocate为模块进行地址空间分配，simplify_symbols为模块进行符号解析，apply_relocations为模块进行重定位。由此可见，模块加载时，内核为模块文件main.ko进行了链接的过程！至于函数do_one_initcall的实现就比较简单了。linux3.5.2/kernel/init.c:673int __init_or_module do_one_initcall（initcall_t fn）{ int count = preempt_count（）; int ret; if （initcall_debug） ret = do_one_initcall_debug（fn）; else ret = fn（）;//调用init module …… return ret;}即调用了模块的入口函数init。模块卸载模块卸载由内核的系统调用delete_module完成。linux3.5.2/kernel/module.c:768SYSCALL_DEFINE2（delete_module, const char __user *, name_user, unsigned int, flags）{ struct module *mod; char name[MODULE_NAME_LEN]; int ret, forced = 0; …… /* Final destruction now no one is using it. */ if （mod->exit ！= NULL） mod->exit（）;//调用exit module …… free_module（mod）;//卸载模块 ……}通过回调exit完成模块的出口函数功能，最后调用free_module将模块卸载。结论如此看来，内核模块其实并不神秘。传统的用户程序需要编译为可执行程序才能执行，而模块程序只需要编译为目标文件的形式便可以加载到内核，有内核实现模块的链接，将之转化为可执行代码。同时，在内核加载和卸载的过程中，会通过函数回调用户定义的模块入口函数和模块出口函数，实现相应的功能。本文永久更新链接地址：http://www.linuxidc.com/Linux/2016-01/127788.htm