【奔跑吧！Linux 内核（第二版）】第5章：内核模块

笨叔 陈悦. 奔跑吧 Linux 内核（第2版） [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2020.

Linux 内核采用了宏内核架构，操作系统的大部分功能在内核中实现，比如进程管理、内存管理、进程调度、设备管理等，并且在特权模式下（内核空间中）运行。Linux 的这种宏内核可以理解为完全静态的内核，那么如何实现运行时内核的动态扩展呢？其实 Linux 内核在发展过程中早就引入了内核模块的这种机制，可在内核运行时加载一组目标代码来实现某个特定的功能，这样在实际使用 Linux 的过程中就不需要重新编译内核代码来实现动态扩展。

从一个内核模块开始

内核在初始化各个模块时有优先级顺序。对于驱动模块来说，它的优先级不是特别高，而且内核把所有模块的初始化函数都存放在一个特别的段中来管理。

通过 file 命令检查编译的模块是否正确，通过 modinfo 命令进一步检查,lsmod 命令查看当前模块是否已经被加载到系统中。

模块参数

为了根据不同的应用场景给内核模块传递不同的参数，Linux 内核提供了一个宏实现模块的参数传递。module_param是 Linux 内核模块编程中的一个关键宏，用于在加载模块时传递参数，从而动态配置模块行为。

module_param(name, type, perm);

• ​​name​​：模块内定义的变量名，也是加载模块时使用的参数名（如 insmod module.ko name=value）。
• type​​：参数类型，常见选项包括： 整型：int、uint、long、ulong等。字符串：charp（字符指针，自动分配内存）。 布尔型：bool（0/1）、invbool（值反转）。
• ​​perm​​：权限掩码，使用 中的宏（如 0644表示用户可读写，组和其他用户只读）。

示例代码

#include 
#include 

static char *msg = "hello";
static int count = 1;
module_param(count, int, 0644);
module_param(msg, charp, 0444);

static int __init init_func(void) {
    for (int i = 0; i < count; i++)
        printk(KERN_INFO "%s\n", msg);
    return 0;
}
module_init(init_func);

• ​​加载命令​​：insmod example.ko msg="world" count=3
• 输出​​：通过 dmesg查看内核日志，打印 3 次 “world”

说明：

• 默认值​​：若未传递参数，使用模块内定义的初始值。
• 动态修改​​：通过 /sys/module/模块名/parameters/文件可运行时修改参数（需写权限）。
• 文档描述​​：配合 MODULE_PARM_DESC宏生成参数说明，通过 modinfo查看。

符号共享

为了在同一驱动程序的不同内核模块中实现函数的相互调用、参数的访问，Linux 内核为我们提供了对应的宏。

符号（Symbol）在内核中指的是函数或全局变量的名称，每个符号对应内存中的一个地址：函数名对应代码段中的起始地址，变量名对应数据段中的存储位置。内核模块符号共享的核心思想是：一个模块可以将自己的函数或变量"导出"，供其他模块使用，这类似于工厂中不同车间共享工具的场景。

内核维护着一个全局的符号表（本质是哈希表），记录了所有导出符号的名称和地址。当模块A导出符号后，这些符号会被注册到这个公共表中，模块B就可以通过名称找到并使用它们。

导出宏的使用

Linux内核提供了两个主要的宏用于符号导出：

​​1. EXPORT_SYMBOL(sym)​​：将符号对全部内核代码公开，允许所有模块使用（无论许可证）。
2. EXPORT_SYMBOL_GPL(sym)​​：仅允许GPL兼容许可证的模块使用导出的符号。

推荐做法是：除非必要，优先使用EXPORT_SYMBOL_GPL，保证内核许可证纯洁性。

导出步骤

1. 定义符号。在模块中定义要导出的函数或全局变量。

int my_crc32(const unsigned char *buf, size_t len) {
    // CRC32计算实现
    return crc;
}
int global_counter = 0;

2. 导出符号。使用导出宏公开符号。

EXPORT_SYMBOL(my_crc32);
EXPORT_SYMBOL(global_counter);

3. 使用符号。在其他模块中先声明符号（类似extern），再直接使用。

extern int my_crc32(const unsigned char *buf, size_t len);
extern int global_counter;

static int __init use_module_init(void) {
    int crc = my_crc32("hello", 5);
    global_counter++;
    return 0;
}

符号重复可能导致的问题包括

1. 链接错误，使程序无法正常构建
2. 模块加载失败，内核拒绝加载有符号冲突的模块
3. 运行时不可预测的行为，特别是当链接器"静默"选择了一个不符合预期的符号定义时

如何避免符号重复

1. ​​最小暴露原则​​：尽可能限制符号的可见性，只导出真正必要的接口
2. 命名规范化​​：使用模块前缀避免命名冲突
3. 静态化内部符号​​：使用static关键字限制非共享符号的作用域
4. 版本控制​​：利用内核的CRC校验机制确保符号兼容性
5. 工具辅助​​：使用符号检查工具和构建系统配置早期发现问题
6. 动态解析​​：对于可选依赖，考虑使用动态符号查找
7. 文档记录​​：为导出的符号提供清晰的文档说明