怎么在Linux中編寫內(nèi)核模塊

怎么在Linux中編寫內(nèi)核模塊？相信很多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此束手無(wú)策，為此本文總結(jié)了問(wèn)題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過(guò)這篇文章希望你能解決這個(gè)問(wèn)題。

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盡可能不要用root身份

默認(rèn)情況下，/dev/reverse只有root可以使用，因此你只能使用sudo來(lái)運(yùn)行你的測(cè)試程序。要解決該限制，可以創(chuàng)建一個(gè)包含以下內(nèi)容的/lib/udev/rules.d/99-reverse.rules文件：

SUBSYSTEM=="misc", KERNEL=="reverse", MODE="0666"
別忘了重新插入模塊。讓非root用戶訪問(wèn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)往往不是一個(gè)好主意，但是在開(kāi)發(fā)其間卻是十分有用的。這并不是說(shuō)以root身份運(yùn)行二進(jìn)制測(cè)試文件也不是個(gè)好主意。
模塊的構(gòu)造

由于大多數(shù)的Linux內(nèi)核模塊是用C寫的（除了底層的特定于體系結(jié)構(gòu)的部分），所以推薦你將你的模塊以單一文件形式保存（例如，reverse.c）。我們已經(jīng)把完整的源代碼放在GitHub上——這里我們將看其中的一些片段。開(kāi)始時(shí)，我們先要包含一些常見(jiàn)的文件頭，并用預(yù)定義的宏來(lái)描述模塊：

這里一切都直接明了，除了MODULE_LICENSE()：它不僅僅是一個(gè)標(biāo)記。內(nèi)核堅(jiān)定地支持GPL兼容代碼，因此如果你把許可證設(shè)置為其它非GPL兼容的（如，“Proprietary”[專利]），某些特定的內(nèi)核功能將在你的模塊中不可用。

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Valentine Sinitsyn <valentine.sinitsyn@gmail.com>");
MODULE_DESCRIPTION("In-kernel phrase reverser");

什么時(shí)候不該寫內(nèi)核模塊

內(nèi)核編程很有趣，但是在現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中寫（尤其是調(diào)試）內(nèi)核代碼要求特定的技巧。通常來(lái)講，在沒(méi)有其它方式可以解決你的問(wèn)題時(shí)，你才應(yīng)該在內(nèi)核級(jí)別解決它。以下情形中，可能你在用戶空間中解決它更好：

你要開(kāi)發(fā)一個(gè)USB驅(qū)動(dòng) —— 請(qǐng)查看libusb。
你要開(kāi)發(fā)一個(gè)文件系統(tǒng) —— 試試FUSE。
你在擴(kuò)展Netfilter —— 那么libnetfilter_queue對(duì)你有所幫助。
通常，內(nèi)核里面代碼的性能會(huì)更好，但是對(duì)于許多項(xiàng)目而言，這點(diǎn)性能丟失并不嚴(yán)重。
由于內(nèi)核編程總是異步的，沒(méi)有一個(gè)main()函數(shù)來(lái)讓Linux順序執(zhí)行你的模塊。取而代之的是，你要為各種事件提供回調(diào)函數(shù)，像這個(gè)：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static int __init reverse_init(void)
{
printk(KERN_INFO "reverse device has been registered\n");
return 0;
}
static void __exit reverse_exit(void)
{
printk(KERN_INFO "reverse device has been unregistered\n");
}
module_init(reverse_init);
module_exit(reverse_exit);

這里，我們定義的函數(shù)被稱為模塊的插入和刪除。只有第一個(gè)的插入函數(shù)是必要的。目前，它們只是打印消息到內(nèi)核環(huán)緩沖區(qū)（可以在用戶空間通過(guò)dmesg命令訪問(wèn)）；KERN_INFO是日志級(jí)別（注意，沒(méi)有逗號(hào)）。__init和__exit是屬性 —— 聯(lián)結(jié)到函數(shù)（或者變量）的元數(shù)據(jù)片。屬性在用戶空間的C代碼中是很罕見(jiàn)的，但是內(nèi)核中卻很普遍。所有標(biāo)記為_(kāi)_init的，會(huì)在初始化后釋放內(nèi)存以供重用（還記得那條過(guò)去內(nèi)核的那條“Freeing unused kernel memory…[釋放未使用的內(nèi)核內(nèi)存……]”信息嗎？）。__exit表明，當(dāng)代碼被靜態(tài)構(gòu)建進(jìn)內(nèi)核時(shí)，該函數(shù)可以安全地優(yōu)化了，不需要清理收尾。最后，module_init()和module_exit()這兩個(gè)宏將reverse_init()和reverse_exit()函數(shù)設(shè)置成為我們模塊的生命周期回調(diào)函數(shù)。實(shí)際的函數(shù)名稱并不重要，你可以稱它們?yōu)閕nit()和exit()，或者start()和stop()，你想叫什么就叫什么吧。他們都是靜態(tài)聲明，你在外部模塊是看不到的。事實(shí)上，內(nèi)核中的任何函數(shù)都是不可見(jiàn)的，除非明確地被導(dǎo)出。然而，在內(nèi)核程序員中，給你的函數(shù)加上模塊名前綴是約定俗成的。

這些都是些基本概念 – 讓我們來(lái)做更多有趣的事情吧。模塊可以接收參數(shù)，就像這樣：

# modprobe foo bar=1

modinfo命令顯示了模塊接受的所有參數(shù)，而這些也可以在/sys/module//parameters下作為文件使用。我們的模塊需要一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)參數(shù) —— 讓我們把這大小設(shè)置為用戶可配置。在MODULE_DESCRIPTION()下添加如下三行：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static unsigned long buffer_size = 8192;
module_param(buffer_size, ulong, (S_IRUSR | S_IRGRP | S_IROTH));
MODULE_PARM_DESC(buffer_size, "Internal buffer size");

這兒，我們定義了一個(gè)變量來(lái)存儲(chǔ)該值，封裝成一個(gè)參數(shù)，并通過(guò)sysfs來(lái)讓所有人可讀。這個(gè)參數(shù)的描述（最后一行）出現(xiàn)在modinfo的輸出中。

由于用戶可以直接設(shè)置buffer_size，我們需要在reverse_init()來(lái)清除無(wú)效取值。你總該檢查來(lái)自內(nèi)核之外的數(shù)據(jù) —— 如果你不這么做，你就是將自己置身于內(nèi)核異?；虬踩┒粗?。

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static int __init reverse_init()
{
if (!buffer_size)
return -1;
printk(KERN_INFO
"reverse device has been registered, buffer size is %lu bytes\n",
buffer_size);
return 0;
}

來(lái)自模塊初始化函數(shù)的非0返回值意味著模塊執(zhí)行失敗。

導(dǎo)航

但你開(kāi)發(fā)模塊時(shí)，Linux內(nèi)核就是你所需一切的源頭。然而，它相當(dāng)大，你可能在查找你所要的內(nèi)容時(shí)會(huì)有困難。幸運(yùn)的是，在龐大的代碼庫(kù)面前，有許多工具使這個(gè)過(guò)程變得簡(jiǎn)單。首先，是Cscope —— 在終端中運(yùn)行的一個(gè)比較經(jīng)典的工具。你所要做的，就是在內(nèi)核源代碼的頂級(jí)目錄中運(yùn)行make cscope && cscope。Cscope和Vim以及Emacs整合得很好，因此你可以在你最喜愛(ài)的編輯器中使用它。

如果基于終端的工具不是你的最愛(ài)，那么就訪問(wèn)http://lxr.free-electrons.com吧。它是一個(gè)基于web的內(nèi)核導(dǎo)航工具，即使它的功能沒(méi)有Cscope來(lái)得多（例如，你不能方便地找到函數(shù)的用法），但它仍然提供了足夠多的快速查詢功能。
現(xiàn)在是時(shí)候來(lái)編譯模塊了。你需要你正在運(yùn)行的內(nèi)核版本頭文件（linux-headers，或者等同的軟件包）和build-essential（或者類似的包）。接下來(lái)，該創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Makefile模板：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

obj-m += reverse.o
all:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

現(xiàn)在，調(diào)用make來(lái)構(gòu)建你的第一個(gè)模塊。如果你輸入的都正確，在當(dāng)前目錄內(nèi)會(huì)找到reverse.ko文件。使用sudo insmod reverse.ko插入內(nèi)核模塊，然后運(yùn)行如下命令：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

$ dmesg | tail -1
[ 5905.042081] reverse device has been registered, buffer size is 8192 bytes

恭喜了！然而，目前這一行還只是假象而已 —— 還沒(méi)有設(shè)備節(jié)點(diǎn)呢。讓我們來(lái)搞定它。

混雜設(shè)備

在Linux中，有一種特殊的字符設(shè)備類型，叫做“混雜設(shè)備”（或者簡(jiǎn)稱為“misc”）。它是專為單一接入點(diǎn)的小型設(shè)備驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，而這正是我們所需要的。所有混雜設(shè)備共享同一個(gè)主設(shè)備號(hào)（10），因此一個(gè)驅(qū)動(dòng)(drivers/char/misc.c）就可以查看它們所有設(shè)備了，而這些設(shè)備用次設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分。從其他意義來(lái)說(shuō)，它們只是普通字符設(shè)備。

要為該設(shè)備注冊(cè)一個(gè)次設(shè)備號(hào)（以及一個(gè)接入點(diǎn)），你需要聲明struct misc_device，填上所有字段（注意語(yǔ)法），然后使用指向該結(jié)構(gòu)的指針作為參數(shù)來(lái)調(diào)用misc_register()。為此，你也需要包含linux/miscdevice.h頭文件：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static struct miscdevice reverse_misc_device = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "reverse",
.fops = &reverse_fops
};
static int __init reverse_init()
{
...
misc_register(&reverse_misc_device);
printk(KERN_INFO ...
}

這兒，我們?yōu)槊麨椤皉everse”的設(shè)備請(qǐng)求一個(gè)第一個(gè)可用的（動(dòng)態(tài)的）次設(shè)備號(hào)；省略號(hào)表明我們之前已經(jīng)見(jiàn)過(guò)的省略的代碼。別忘了在模塊卸下后注銷掉該設(shè)備。

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static void __exit reverse_exit(void)
{
misc_deregister(&reverse_misc_device);
...
}

‘fops’字段存儲(chǔ)了一個(gè)指針，指向一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)（在Linux/fs.h中聲明），而這正是我們模塊的接入點(diǎn)。reverse_fops定義如下：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static struct file_operations reverse_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = reverse_open,
...
.llseek = noop_llseek
};

另外，reverse_fops包含了一系列回調(diào)函數(shù)（也稱之為方法），當(dāng)用戶空間代碼打開(kāi)一個(gè)設(shè)備，讀寫或者關(guān)閉文件描述符時(shí)，就會(huì)執(zhí)行。如果你要忽略這些回調(diào)，可以指定一個(gè)明確的回調(diào)函數(shù)來(lái)替代。這就是為什么我們將llseek設(shè)置為noop_llseek()，（顧名思義）它什么都不干。這個(gè)默認(rèn)實(shí)現(xiàn)改變了一個(gè)文件指針，而且我們現(xiàn)在并不需要我們的設(shè)備可以尋址（這是今天留給你們的家庭作業(yè)）。

關(guān)閉和打開(kāi)

讓我們來(lái)實(shí)現(xiàn)該方法。我們將給每個(gè)打開(kāi)的文件描述符分配一個(gè)新的緩沖區(qū)，并在它關(guān)閉時(shí)釋放。這實(shí)際上并不安全：如果一個(gè)用戶空間應(yīng)用程序泄漏了描述符（也許是故意的），它就會(huì)霸占RAM，并導(dǎo)致系統(tǒng)不可用。在現(xiàn)實(shí)世界中，你總得考慮到這些可能性。但在本教程中，這種方法不要緊。

我們需要一個(gè)結(jié)構(gòu)函數(shù)來(lái)描述緩沖區(qū)。內(nèi)核提供了許多常規(guī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：鏈接列表（雙聯(lián)的），哈希表，樹(shù)等等之類。不過(guò)，緩沖區(qū)常常從頭設(shè)計(jì)。我們將調(diào)用我們的“struct buffer”：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

struct buffer {
char *data, *end, *read_ptr;
unsigned long size;
};

data是該緩沖區(qū)存儲(chǔ)的一個(gè)指向字符串的指針，而end指向字符串結(jié)尾后的第一個(gè)字節(jié)。read_ptr是read()開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)的地方。緩沖區(qū)的size是為了保證完整性而存儲(chǔ)的 —— 目前，我們還沒(méi)有使用該區(qū)域。你不能假設(shè)使用你結(jié)構(gòu)體的用戶會(huì)正確地初始化所有這些東西，所以最好在函數(shù)中封裝緩沖區(qū)的分配和收回。它們通常命名為buffer_alloc()和buffer_free()。

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static struct buffer buffer_alloc(unsigned long size)
{ struct buffer *buf; buf = kzalloc(sizeof(buf), GFP_KERNEL);
if
(unlikely(!buf)) goto out; … out: return buf;
}

內(nèi)核內(nèi)存使用kmalloc()來(lái)分配，并使用kfree()來(lái)釋放；kzalloc()的風(fēng)格是將內(nèi)存設(shè)置為全零。不同于標(biāo)準(zhǔn)的malloc()，它的內(nèi)核對(duì)應(yīng)部分收到的標(biāo)志指定了第二個(gè)參數(shù)中請(qǐng)求的內(nèi)存類型。這里，GFP_KERNEL是說(shuō)我們需要一個(gè)普通的內(nèi)核內(nèi)存（不是在DMA或高內(nèi)存區(qū)中）以及如果需要的話函數(shù)可以睡眠（重新調(diào)度進(jìn)程）。sizeof(*buf)是一種常見(jiàn)的方式，它用來(lái)獲取可通過(guò)指針訪問(wèn)的結(jié)構(gòu)體的大小。

你應(yīng)該隨時(shí)檢查kmalloc()的返回值：訪問(wèn)NULL指針將導(dǎo)致內(nèi)核異常。同時(shí)也需要注意unlikely()宏的使用。它（及其相對(duì)宏likely()）被廣泛用于內(nèi)核中，用于表明條件幾乎總是真的（或假的）。它不會(huì)影響到控制流程，但是能幫助現(xiàn)代處理器通過(guò)分支預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)提升性能。

最后，注意goto語(yǔ)句。它們常常為認(rèn)為是邪惡的，但是，Linux內(nèi)核（以及一些其它系統(tǒng)軟件）采用它們來(lái)實(shí)施集中式的函數(shù)退出。這樣的結(jié)果是減少嵌套深度，使代碼更具可讀性，而且非常像更高級(jí)語(yǔ)言中的try-catch區(qū)塊。

有了buffer_alloc()和buffer_free()，open和close方法就變得很簡(jiǎn)單了。

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static int reverse_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int err = 0;
file->private_data = buffer_alloc(buffer_size);
...
return err;
}

struct file是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用以存儲(chǔ)打開(kāi)的文件的信息，如當(dāng)前文件位置（file->f_pos)、標(biāo)志(file->f_flags），或者打開(kāi)模式（file->f_mode)等。另外一個(gè)字段file->privatedata用于關(guān)聯(lián)文件到一些專有數(shù)據(jù)，它的類型是void *，而且它在文件擁有者以外，對(duì)內(nèi)核不透明。我們將一個(gè)緩沖區(qū)存儲(chǔ)在那里。

如果緩沖區(qū)分配失敗，我們通過(guò)返回否定值（-ENOMEM）來(lái)為調(diào)用的用戶空間代碼標(biāo)明。一個(gè)C庫(kù)中調(diào)用的open(2)系統(tǒng)調(diào)用(如glibc)將會(huì)檢測(cè)這個(gè)并適當(dāng)?shù)卦O(shè)置errno 。

學(xué)習(xí)如何讀和寫

“read”和“write”方法是真正完成工作的地方。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)時(shí)，我們放棄之前的內(nèi)容和反向地存儲(chǔ)該字段，不需要任何臨時(shí)存儲(chǔ)。read方法僅僅是從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶空間。但是如果緩沖區(qū)還沒(méi)有數(shù)據(jù)，revers_eread()會(huì)做什么呢？在用戶空間中，read()調(diào)用會(huì)在有可用數(shù)據(jù)前阻塞它。在內(nèi)核中，你就必須等待。幸運(yùn)的是，有一項(xiàng)機(jī)制用于處理這種情況，就是‘wait queues’。

想法很簡(jiǎn)單。如果當(dāng)前進(jìn)程需要等待某個(gè)事件，它的描述符（struct task_struct存儲(chǔ)‘current’信息）被放進(jìn)非可運(yùn)行（睡眠中）狀態(tài)，并添加到一個(gè)隊(duì)列中。然后schedule()就被調(diào)用來(lái)選擇另一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行。生成事件的代碼通過(guò)使用隊(duì)列將等待進(jìn)程放回TASK_RUNNING狀態(tài)來(lái)喚醒它們。調(diào)度程序?qū)⒃谝院笤谀硞€(gè)地方選擇它們之一。Linux有多種非可運(yùn)行狀態(tài)，最值得注意的是TASK_INTERRUPTIBLE（一個(gè)可以通過(guò)信號(hào)中斷的睡眠）和TASK_KILLABLE（一個(gè)可被殺死的睡眠中的進(jìn)程）。所有這些都應(yīng)該正確處理，并等待隊(duì)列為你做這些事。

一個(gè)用以存儲(chǔ)讀取等待隊(duì)列頭的天然場(chǎng)所就是結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)，所以從為它添加wait_queue_headt read\queue字段開(kāi)始。你也應(yīng)該包含linux/sched.h頭文件?？梢允褂肈ECLARE_WAITQUEUE()宏來(lái)靜態(tài)聲明一個(gè)等待隊(duì)列。在我們的情況下，需要?jiǎng)討B(tài)初始化，因此添加下面這行到buffer_alloc()：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

init_waitqueue_head(&buf->read_queue);

我們等待可用數(shù)據(jù)；或者等待read_ptr != end條件成立。我們也想要讓等待操作可以被中斷（如，通過(guò)Ctrl+C）。因此，“read”方法應(yīng)該像這樣開(kāi)始：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out,
size_t size, loff_t * off)
{
struct buffer *buf = file->private_data;
ssize_t result;
while (buf->read_ptr == buf->end) {
if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
result = -EAGAIN;
goto out;
}
if (wait_event_interruptible
(buf->read_queue, buf->read_ptr != buf->end)) {
result = -ERESTARTSYS;
goto out;
}
}

...

我們讓它循環(huán)，直到有可用數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有則使用wait_event_interruptible()（它是一個(gè)宏，不是函數(shù)，這就是為什么要通過(guò)值的方式給隊(duì)列傳遞）來(lái)等待。好吧，如果wait_event_interruptible()被中斷，它返回一個(gè)非0值，這個(gè)值代表-ERESTARTSYS。這段代碼意味著系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)該重新啟動(dòng)。file->f_flags檢查以非阻塞模式打開(kāi)的文件數(shù)：如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，返回-EAGAIN。

我們不能使用if()來(lái)替代while()，因?yàn)榭赡苡性S多進(jìn)程正等待數(shù)據(jù)。當(dāng)write方法喚醒它們時(shí)，調(diào)度程序以不可預(yù)知的方式選擇一個(gè)來(lái)運(yùn)行，因此，在這段代碼有機(jī)會(huì)執(zhí)行的時(shí)候，緩沖區(qū)可能再次空出?，F(xiàn)在，我們需要將數(shù)據(jù)從buf->data 復(fù)制到用戶空間。copy_to_user()內(nèi)核函數(shù)就干了此事：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

size = min(size, (size_t) (buf->end - buf->read_ptr));
if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {
result = -EFAULT;
goto out;
}

如果用戶空間指針錯(cuò)誤，那么調(diào)用可能會(huì)失敗；如果發(fā)生了此事，我們就返回-EFAULT。記住，不要相信任何來(lái)自內(nèi)核外的事物！

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

buf->read_ptr += size;
result = size;
out:
return result;
}

為了使數(shù)據(jù)在任意塊可讀，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算。該方法返回讀入的字節(jié)數(shù)，或者一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

寫方法更簡(jiǎn)短。首先，我們檢查緩沖區(qū)是否有足夠的空間，然后我們使用copy_from_userspace()函數(shù)來(lái)獲取數(shù)據(jù)。再然后read_ptr和結(jié)束指針會(huì)被重置，并且反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)緩沖區(qū)內(nèi)容：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

buf->end = buf->data + size;
buf->read_ptr = buf->data;
if (buf->end > buf->data)
reverse_phrase(buf->data, buf->end - 1);

這里， reverse_phrase()干了所有吃力的工作。它依賴于reverse_word()函數(shù)，該函數(shù)相當(dāng)簡(jiǎn)短并且標(biāo)記為內(nèi)聯(lián)。這是另外一個(gè)常見(jiàn)的優(yōu)化；但是，你不能過(guò)度使用。因?yàn)檫^(guò)多的內(nèi)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核映像徒然增大。

最后，我們需要喚醒read_queue中等待數(shù)據(jù)的進(jìn)程，就跟先前講過(guò)的那樣。wake_up_interruptible()就是用來(lái)干此事的：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

wake_up_interruptible(&buf->read_queue);

耶！你現(xiàn)在已經(jīng)有了一個(gè)內(nèi)核模塊，它至少已經(jīng)編譯成功了。現(xiàn)在，是時(shí)候來(lái)測(cè)試了。

調(diào)試內(nèi)核代碼

或許，內(nèi)核中最常見(jiàn)的調(diào)試方法就是打印。如果你愿意，你可以使用普通的printk() （假定使用KERN_DEBUG日志等級(jí)）。然而，那兒還有更好的辦法。如果你正在寫一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)有它自己的“struct device”，可以使用pr_debug()或者dev_dbg()：它們支持動(dòng)態(tài)調(diào)試（dyndbg）特性，并可以根據(jù)需要啟用或者禁用（請(qǐng)查閱Documentation/dynamic-debug-howto.txt）。對(duì)于單純的開(kāi)發(fā)消息，使用pr_devel()，除非設(shè)置了DEBUG，否則什么都不會(huì)做。要為我們的模塊啟用DEBUG，請(qǐng)?zhí)砑右韵滦械組akefile中：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

CFLAGS_reverse.o := -DDEBUG

完了之后，使用dmesg來(lái)查看pr_debug()或pr_devel()生成的調(diào)試信息。或者，你可以直接發(fā)送調(diào)試信息到控制臺(tái)。要想這么干，你可以設(shè)置console_loglevel內(nèi)核變量為8或者更大的值（echo 8 /proc/sys/kernel/printk），或者在高日志等級(jí)，如KERN_ERR，來(lái)臨時(shí)打印要查詢的調(diào)試信息。很自然，在發(fā)布代碼前，你應(yīng)該移除這樣的調(diào)試聲明。

注意內(nèi)核消息出現(xiàn)在控制臺(tái)，不要在Xterm這樣的終端模擬器窗口中去查看；這也是在內(nèi)核開(kāi)發(fā)時(shí)，建議你不在X環(huán)境下進(jìn)行的原因。
驚喜，驚喜！

編譯模塊，然后加載進(jìn)內(nèi)核：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

$ make
$ sudo insmod reverse.ko buffer_size=2048
$ lsmod
reverse 2419 0
$ ls -l /dev/reverse
crw-rw-rw- 1 root root 10, 58 Feb 22 15:53 /dev/reverse

一切似乎就位。現(xiàn)在，要測(cè)試模塊是否正常工作，我們將寫一段小程序來(lái)翻轉(zhuǎn)它的第一個(gè)命令行參數(shù)。main()（再三檢查錯(cuò)誤）可能看上去像這樣：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

int fd = open("/dev/reverse", O_RDWR);
write(fd, argv[1], strlen(argv[1]));
read(fd, argv[1], strlen(argv[1]));
printf("Read: %s\n", argv[1]);

像這樣運(yùn)行：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

$ ./test 'A quick brown fox jumped over the lazy dog'
Read: dog lazy the over jumped fox brown quick A
它工作正常！玩得更逗一點(diǎn)：試試傳遞單個(gè)單詞或者單個(gè)字母的短語(yǔ)，空的字符串或者是非英語(yǔ)字符串（如果你有這樣的鍵盤布局設(shè)置），以及其它任何東西。

現(xiàn)在，讓我們讓事情變得更好玩一點(diǎn)。我們將創(chuàng)建兩個(gè)進(jìn)程，它們共享一個(gè)文件描述符（及其內(nèi)核緩沖區(qū)）。其中一個(gè)會(huì)持續(xù)寫入字符串到設(shè)備，而另一個(gè)將讀取這些字符串。在下例中，我們使用了fork(2)系統(tǒng)調(diào)用，而pthreads也很好用。我也省略打開(kāi)和關(guān)閉設(shè)備的代碼，并在此檢查代碼錯(cuò)誤（又來(lái)了）：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

char *phrase = "A quick brown fox jumped over the lazy dog";
if (fork())
/* Parent is the writer */
while (1)
write(fd, phrase, len);
else
/* child is the reader */
while (1) {
read(fd, buf, len);
printf("Read: %s\n", buf);
}

你希望這個(gè)程序會(huì)輸出什么呢？下面就是在我的筆記本上得到的東西：

Read: dog lazy the over jumped fox brown quick A
Read: A kcicq brown fox jumped over the lazy dog
Read: A kciuq nworb xor jumped fox brown quick A
Read: A kciuq nworb xor jumped fox brown quick A
...
這里發(fā)生了什么呢？就像舉行了一場(chǎng)比賽。我們認(rèn)為read和write是原子操作，或者從頭到尾一次執(zhí)行一個(gè)指令。然而，內(nèi)核確實(shí)無(wú)序并發(fā)的，隨便就重新調(diào)度了reverse_phrase()函數(shù)內(nèi)部某個(gè)地方運(yùn)行著的寫入操作的內(nèi)核部分。如果在寫入操作結(jié)束前就調(diào)度了read()操作呢？就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不完整的狀態(tài)。這樣的bug非常難以找到。但是，怎樣來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題呢？

基本上，我們需要確保在寫方法返回前沒(méi)有read方法能被執(zhí)行。如果你曾經(jīng)編寫過(guò)一個(gè)多線程的應(yīng)用程序，你可能見(jiàn)過(guò)同步原語(yǔ)（鎖），如互斥鎖或者信號(hào)。Linux也有這些，但有些細(xì)微的差別。內(nèi)核代碼可以運(yùn)行進(jìn)程上下文（用戶空間代碼的“代表”工作，就像我們使用的方法）和終端上下文（例如，一個(gè)IRQ處理線程）。如果你已經(jīng)在進(jìn)程上下文中和并且你已經(jīng)得到了所需的鎖，你只需要簡(jiǎn)單地睡眠和重試直到成功為止。在中斷上下文時(shí)你不能處于休眠狀態(tài)，因此代碼會(huì)在一個(gè)循環(huán)中運(yùn)行直到鎖可用。關(guān)聯(lián)原語(yǔ)被稱為自旋鎖，但在我們的環(huán)境中，一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖 —— 在特定時(shí)間內(nèi)只有唯一一個(gè)進(jìn)程能“占有”的對(duì)象 —— 就足夠了。處于性能方面的考慮，現(xiàn)實(shí)的代碼可能也會(huì)使用讀-寫信號(hào)。

鎖總是保護(hù)某些數(shù)據(jù)（在我們的環(huán)境中，是一個(gè)“struct buffer”實(shí)例），而且也常常會(huì)把它們嵌入到它們所保護(hù)的結(jié)構(gòu)體中。因此，我們添加一個(gè)互斥鎖（‘struct mutex lock’）到“struct buffer”中。我們也必須用mutex_init()來(lái)初始化互斥鎖；buffer_alloc是用來(lái)處理這件事的好地方。使用互斥鎖的代碼也必須包含linux/mutex.h。

互斥鎖很像交通信號(hào)燈 —— 要是司機(jī)不看它和不聽(tīng)它的，它就沒(méi)什么用。因此，在對(duì)緩沖區(qū)做操作并在操作完成時(shí)釋放它之前，我們需要更新reverse_read()和reverse_write()來(lái)獲取互斥鎖。讓我們來(lái)看看read方法 —— write的工作原理相同：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out,
size_t size, loff_t * off)
{
struct buffer *buf = file->private_data;
ssize_t result;
if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {
result = -ERESTARTSYS;
goto out;
}

我們?cè)诤瘮?shù)一開(kāi)始就獲取鎖。mutex_lock_interruptible()要么得到互斥鎖然后返回，要么讓進(jìn)程睡眠，直到有可用的互斥鎖。就像前面一樣，_interruptible后綴意味著睡眠可以由信號(hào)來(lái)中斷。

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

while (buf->read_ptr == buf->end) {
mutex_unlock(&buf->lock);
/* ... wait_event_interruptible() here ... */
if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {
result = -ERESTARTSYS;
goto out;
}
}

下面是我們的“等待數(shù)據(jù)”循環(huán)。當(dāng)獲取互斥鎖時(shí)，或者發(fā)生稱之為“死鎖”的情境時(shí)，不應(yīng)該讓進(jìn)程睡眠。因此，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，我們釋放互斥鎖并調(diào)用wait_event_interruptible()。當(dāng)它返回時(shí)，我們重新獲取互斥鎖并像往常一樣繼續(xù)：

bash/shell Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板

if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {
result = -EFAULT;
goto out_unlock;
}
...
out_unlock:
mutex_unlock(&buf->lock);
out:
return result;

看完上述內(nèi)容，你們掌握怎么在Linux中編寫內(nèi)核模塊的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！

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