1、第五章 模塊編程實驗【實驗目的】通過學習核模塊的編寫和運行，了解模塊是 Linux OS 的一種特有的機制，可根 據(jù)用戶的實際需要在不需要對核進行重新編譯的情況下， 模塊能在核中被動態(tài)地加載 和卸載。編寫一個模塊，將它作為 Linux OS 核空間的擴展來執(zhí)行，并通過 insmod 命令來手工加載，通過命令rmmod來手工卸載。【準備知識】Linux 模塊是一些可以作為獨立程序來編譯的函數(shù)和數(shù)據(jù)類型的集合。在裝載這些模塊時，將它的代碼到核中。 Linux 模塊有兩種裝載方式：靜態(tài)裝載（核啟動時裝 載）和動態(tài)裝載（在核運行過程中裝載） 。若在模塊裝載之前就調用了動態(tài)模塊的一 個函數(shù)， 則此調用將

2、失敗；若模塊已被裝載， 則核就可以使用系統(tǒng)調用， 并將其傳遞 到模塊中的相應函數(shù)。 模塊通常用來實現(xiàn)設備驅動程序 （這要求模塊的 API 和設備驅 動程序的 API 相一致）。模塊可用來實現(xiàn)所期望的任何功能。一模塊的組織結構模塊一旦被裝載進系統(tǒng)， 就在核地址空間中管態(tài)下執(zhí)行。 它就像任何標準的核代 碼一樣成為核的一部分， 并擁有其它核代碼相同的權限和職責 （當然也會引起系統(tǒng)的 崩潰）。若模塊知道核數(shù)據(jù)結構的地址，則它可以讀寫核數(shù)據(jù)結構。但 Linux 是一個 整體式的核（ monolithic kernel ）結構，整個核是一個單獨的且非常大的程序，從 而存在一個普遍的問題：在一個文件中實現(xiàn)的

3、函數(shù)可能需要在其它文件中定義的數(shù) 據(jù)。在傳統(tǒng)的程序中， 這個問題是通過編輯器在生成可執(zhí)行對象文件時， 使用編輯器 可以解析的外部 （全局） 變量來解決的。又因為模塊的設計和實現(xiàn)與核無關，所以模 塊不能靠靜態(tài)通過變量名引用核數(shù)據(jù)結構。 恰好相反， Linux 核采用了另外一種機制： 實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構的文件可以導出結構的符號名（可以從文件/proc/ksyms 或文件/kernel/ksyms.c中以文本方式讀取這個公開符號表），這樣在運行時就可以使用這個結構了。不過在編寫模塊的過程中，編寫（修改）導出變量時要格外注意，因為 通過修改變量會修改核的狀態(tài)， 其結果可能并不是核設計者所期望的。 在確信自己

4、了 解修改核變量的后果之前，應該對這些變量只進行讀操作。模塊作為一種抽象數(shù)據(jù)類型， 它具有一個可以通過靜態(tài)核中斷的接口。 最小的模 塊結構必須包括兩個函數(shù)，它們在系統(tǒng)裝載模塊和卸載模塊時調用，分別是init_module() 和 cleanup_module() 。可以編寫一個只包括這兩個函數(shù)的模塊，這樣 該模塊中唯一會被調用的函數(shù)就是模塊被裝載時所調用的函數(shù) init_module() 和模 塊被卸載時所調用的函數(shù)cleanup_module() 。并且用函數(shù) init_module()來啟動模塊裝載期間的操作，用函數(shù)cleanup_module() 來停止這些操作。由于模塊可以實現(xiàn)相當復雜

5、的功能， 故可以在模塊中加入很多新函數(shù)以實現(xiàn)所要 期望的功能。 不過加入模塊的每個新函數(shù)都必須在該模塊裝載到核中時進行注冊。 若 該模塊是靜態(tài)裝載的， 則該模塊的所有函數(shù)都是在核啟動時進行注冊的； 若該模塊是 動態(tài)裝載的， 則這些新函數(shù)必須在裝載這個模塊時動態(tài)注冊。當然， 如果該模塊被動態(tài)卸載了， 則該模塊的函數(shù)都必須從系統(tǒng)中注銷。 通過這種方式， 當這個模塊不在系 統(tǒng)中時，就不能調用該模塊的函數(shù)。 其中注冊工作通常是在函數(shù) init_module() 中完 成的，而注銷工作通常是在函數(shù) cleanup_module() 中完成的。由上述定義的模塊應有如下的格式：#include <li

6、nux/kernel.h>#include <linux/module.h>/ 其它header信息int init_module( )/裝載時，初始化模塊的編碼/期望該模塊所能實現(xiàn)的一些功能函數(shù)，如open()、release。、write()、 / read() 、 ioctl() 等函數(shù)void cleanup_module( )/ 卸載時，注銷模塊的編碼 °二模塊的編譯一旦設計并編寫好模塊， 必須將其編譯成一個適合核裝載的對象文件° 由于編寫 模塊是用 C 語言來完成的，故采用 gcc 編譯器來進行編譯°若需要通知編譯程序把 這個模塊作為

7、核代碼而不是普通的用戶代碼來編譯，則就需向 gcc 編譯器傳遞參數(shù) “ -D_ _KERNEL_”；若需要通知編譯程序這個文件是一個模塊而不是一個普通文件，則就需向gcc編譯器傳遞參數(shù)“ -DMODUL”；若需要對模塊程序進行優(yōu)化編譯、連接,則就需使用“ -O2 ”參數(shù)；若還需要對裝載后的模塊進行調試，則就需使用“-g ”參數(shù)；同時需要使用“ -Wall ”參數(shù)來向裝載程序傳遞all，使用“ -c ”開關通知編譯程序在編譯完這個模塊文件后不調用程序。一般編譯模塊文件的命令格式如下：#gcc -O2 -g -Wall -DMODULE -D_ _KERNEL_ _ -c filename.c/

8、filename.c 為自己編寫的模塊程序源代碼文件執(zhí)行命令后就會得到文件 filename.o ，該文件就是一個可裝載的目標代碼文件。三模塊的裝載核模塊的裝載方式有兩種。一種是使用 insmod 命令手工裝載模塊；另一種是請 求裝載 demand loading （在需要時裝載模塊） ，即當有必要裝載某個模塊時，若用戶 安裝了核心中不存在的文件系統(tǒng)時， 核心將請求核守護進程 kerneld 準備裝載適當?shù)?模塊。該核守護進程是一個帶有超級用戶權限的普通用戶進程。 此實驗中我們主要采 用 insmod 命令手工裝載模塊。系統(tǒng)啟動時， kerneld 開始執(zhí)行，并為核打開一個 IPC 通道，核通

9、過向 kerneld 發(fā)送消息請求執(zhí)行各種任務。 kerneld 的主要功能是裝載和卸載核模塊， kerneld 自 身并不執(zhí)行這些任務， 它通過某些程序 （如 insmod ）來完成。 Kerneld 只是核的代理， 只為核進行調度。insmod 程序必須找到請求裝載的核模塊（該請求裝載的模塊一般被保存在 /lib/modules/kernel-version中）。這些模塊與系統(tǒng)中其它程序一樣是已連接的目標文件， 但不同的是它們被連接成可重定位映象 （即映象沒有被連接到在特定的地址 上運行，其文件格式是a.out或ELF）。亦就是說，模塊在用戶空間（使用適當?shù)臉酥荆┻M行編譯， 結果產生一個可

10、執(zhí)行格式的文件。 在用 insmod 命令裝載一個模塊時， 將會發(fā)生如下事件：（ 1）新模塊（通過核函數(shù) create_module（） ）加入到核地址空間。（ 2） insmod 執(zhí)行一個特權級系統(tǒng)調用 get_kernel_syms（） 函數(shù)以找到核的輸出 符號（一個符號表示為符號名和符號值，如地址值） 。（ 3） create_module（） 為這個模塊分配存空間， 并將新模塊添加在核模塊鏈表的 尾部，然后將新模塊標記為 UNINITIALIZED （模塊未初始化） 。（ 4）通過 init_module（） 系統(tǒng)調用裝載模塊。 （該模塊定義的符號在此時被導出， 供其它可能后來裝載的模

11、塊使用）（ 5） insmod 為新裝載的模塊調用 init_module（） 函數(shù)，然后將新模塊標志為 RUNNING模塊正在運行）。在執(zhí)行完insmod命令后，就可在/proc/modules 文件中看到裝載的新模塊了。（為 證實其正確性，可在執(zhí)行insmod命令之前先查看/proc/modules 文件，執(zhí)行之后再 查看比較）四.模塊的卸載當一個模塊不需要使用時，可以使用rmmod命令卸載該模塊。由于無需連接，故 它的任務比加載模塊要簡單得多。但如果請求裝載模塊在其使用計數(shù)為0時，kerneld將自動從系統(tǒng)中卸載該模塊。卸載時調用模塊的cleanup_module（）釋放分配給該模塊的核

12、資源，并將其標志為 DELETER模塊被卸載）；同時斷開核模塊鏈表中的連接， 修改它所依賴的其它模塊的引用，重新分配模塊所占的核存。五模塊連接到核的示意圖該圖比較明顯地展示了模塊連接到核所使用的命令和函數(shù)，以及各個函數(shù)之間的調用關系。通過該圖，可以比較清晰地看出模塊連接到核的整個連接過程，這也有助于核模塊的編寫。模塊in smodini t_module()內核核心register_capability()capabilities:printk()六模塊程序中管理模塊的幾個文件操作在核部用一個 file 結構來識別模塊， 而且核使用 file_operatuions 結構來訪問 模塊程序中的函

13、數(shù)。 file_operatuions 結構是一個定義在 <linux/fs.h> 中的函數(shù)指 針表。管理模塊的文件操作， 通常也稱為 “方法”，它們都為 struct file_operations 提供函數(shù)指針。在 struct file_operations 中的操作一般按如下順序出現(xiàn)，除非說 明，它們返回 0 值時表示訪問成功；發(fā)生錯誤時返回一個負的錯誤值(目前共有 13 個操作)：int (*lseek) ()、int (*read)()、int (*write)()、 int (*readdir)()、int(*select)() 、int (*ioctl)() 、in

14、t (*mmap)() 、int (*open)() 、void (*release)() 、 int (*fsync)() 、 int (*fasync)() 、 int (*check_media_change)() 、 int (*revalidate)()下面我們只簡單介紹其中的幾個操作，其它在以后涉及時再介紹 :1、方法 int (*read)(struct inode *,struct file *,char *, int)該方法用來從模塊中讀取數(shù)據(jù)。當其為 NULL 指針時將引起 read 系統(tǒng)調用返回 -EINVAL (“非法參數(shù)”)。函數(shù)返回一個非負值表示成功地讀取了多少字節(jié)

15、。2、方法 int (*write)(struct inode *,struct file *,const char *, int)該方法用來向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。當其為 NULL 指針時將引起 write 系統(tǒng)調用返回 -EINVALo如果函數(shù)返回一個非負值，則表示成功地寫入了多少字節(jié)。3、方法 int (*open)(struct inode *,struct file *)該方法是用來打開模塊的操作， 它是操作在模塊節(jié)點上的第一個操作， 即使這樣， 該方法還是可以為 NULL指針。如果為NULL指針，則表示該模塊的打開操作永遠成功， 但系統(tǒng)不會通知你的模塊程序。4、方法 void (*rele

16、ase)(struct inode *,struct file *)該方法是用來關閉模塊的操作。當節(jié)點被關閉時就調用這個操作。與open類似,release 也可以為 NULL指針。當在你的模塊中需要上面這些方法時，相應的方法若沒有，則在structfile_operatio ns中相應的地方將其令為 NULL指針。這樣我們需要的大概象下面這樣：struct file_operationsmodulename_fops =NULL,/ modulename_lseekmodulename_read, modulename_write, NULL,/ modulename_readdirNULL

17、,/ modulename_selectNULL,/ modulename_ioctlNULL,/ modulename_mmapmodulename_open, modulename_release, NULL,/ modulename_fsyncNULL,/ modulename_fasyncNULL,/ modulename_check_media_changeNULL/ modulename_revalidate【實驗容】1、編寫一個簡單的核模塊， 該模塊至少需要有兩個函數(shù)： 一個是 init_module() 函數(shù)， 在把模塊裝載到核時被調用， 它為核的某些東西注冊一個處理程序， 或

18、是用自 身的代碼取代某個核函數(shù)；另一個是 cleanup_module() 函數(shù)， 在卸載模塊時被調用， 其任務是清除 init_module() 函數(shù)所做的一切操作。編寫完成后進行該模塊的編譯、 裝載和卸載操作。2、 向上面模塊中再添加一些新函數(shù)，如open() 、release() 、write() 和 read() 函數(shù)，并編寫一個函數(shù)來測試你的模塊能否實現(xiàn)自己添加的函數(shù)的功能。其中 open() 、 release() 和 write() 函數(shù)都可以是空操作或較少的操作，它們僅僅為結構 file_operations 提供函數(shù)指針。【實驗指導】1 一個簡單的核模塊1. 1 必要的 he

19、ader 文件：除 了 前 面 講 到 的 頭 文 件 #include <linux/kernel.h> 和 #include <linux/module.h> 外，如果你的核打開了版本檢查，那么我們就還必須增加頭文件 #include <linux/modversions.h> ，否則就會出錯。1.2 init_module() 函數(shù)：由于題目的要求不高， 故可只在該函數(shù)里完成一個打印功能， 如 printk( “ Hello! This is a testing module!n”) ；等。為便于檢查模塊是否裝載成功，我們可以給一個返回值，如 retu

20、rn 0；若返回一個非 0 值，則表示 init_module() 失敗，從而不 能裝載模塊。1.3 cleanup_module() 函數(shù)：只需用一條打印語句來取消 init_module() 函數(shù)所做的打印功能操作就可以了， 如 printk( “Sorry! The testing module is unloaded now!n” ) ；等。1.4 模塊的編寫：此處把該模塊文件取名為 testmodule.c#include <linux/kernel.h> /在核模塊中共享#include <linux/module.h> /一個模塊/ 處理 CONFIG_M

21、ODVERSIONS#if CONFIG_MODVERSIONS = 1#define MODVERSIONS#include <linux/modversions.h>#endifint init_module()/ 初始化模塊printk(“ Hello! This is a testing module! n” ) ；return 0void cleanup_module() / 取消 init_module() 函數(shù)所做的打印功能操作printk(“ Sorry! The testing module is unloading now! n” ) ；1.5 模塊的編譯、裝載

22、和卸載：rootlinux /# gcc- o2 - Wall - DMODUL D KERNEL -c testmodule.crootlinux /# ls- s / 在當前目錄下查看生成的目標文件testmodule.o現(xiàn)在，模塊 testmodule 已經編譯好了。用下面命令將它裝載到系統(tǒng)中：rootli nux /# in smod f testmodule.o如果裝載成功， 則在 /proc/modules 文件中就可看到模塊 testmodule ，并可看到 它的主設備號。同時在終端顯示：Hello! This is a testing module! 如果要卸載，就用如下命令：

23、rootlinux /# rmmod testmodule如果卸載成功，則在 /proc/devices 文件中就可看到模塊 testmodule 已經不存 在了。同時在終端顯示：Sorry! The testing module is unloading now!2 向 testmodule 模塊中添加新函數(shù) open() 、 release() 、 write() 和 read()2.1 函數(shù) open( )int open(struct inode *inode， struct file *filp) MOD_INC_USE_COUNT ； / 增加該模塊的用戶數(shù)目 printk(“Th

24、is module is in open!n”) ；return 0；2.2 函數(shù) release( )void release(struct inode *inode， struct file *filp) MOD_DEC_USE_COUNT ； / 該模塊的用戶數(shù)目減 1 printk( “This module is in release!n” ) ；return 0 ；#ifdef DEBUGprintk(release(%p,%p)n， inode ， filp)#endif2.3 函數(shù) read()int read(struct inode *inode， struct file *filp，char *buf ，int count) int leave ； if(verify_area(VERIFY_WRITE，buf ， count) = DEFAULT)return DEFAULT ；for