Linux内核开发基础

Linux内核简介

• linux体系结构
  1. 用户空间
  2. 内核空间

• Linux划分用户控件与内核空间的作用

现代CPU通常实现了不同的工作模式,具有不同级别的硬件权限.

Linux系统利用CPU这一特性,使用其中的两级来分别运行内核程序与应用程序,这样使得操作系统本身得到充分的保护.

内核空间与用户空间是程序执行的两种不同状态,通过系统调用和硬件中断能够完成从用户空间到内核空间的转移.

• Linux内核架构

1. System Call Interface (SCI) - 系统调用接口
2. Process Management (PM) - 进程管理
3. Memory Management (MM) - 内存管理
4. Network Stack - 网络协议栈
5. Virtual File System (VFS) - 虚文件系统
6. Device Drivers (DD) - 设备驱动
7. Arch - CPU相关代码

Linux内核源代码

• Linux内核源码下载地址

  www.kernel.org

• Linux内核源码目录结构

  1. arch - (architecture)

     内核所支持的每种CPU体系,在该目录下都有对应的子目录。每个CPU的子目录,又进一步分解为boot(系统引导),mm(内存管理),kernel(系统调用)等子目录.

  2. block - 部分块设备驱动程序
  3. crypto - 加密、压缩、CRC校验算法
  4. documentation - 内核文档
  5. drivers - 设备驱动程序
  6. fs - 各种文件系统的实现代码
  7. include - 内核所需要的头文件

     与平台无关的头文件在include/linux子目录下;

     与平台相关的头文件在相应的子目录下;

  8. init - 内核初始化代码
  9. ipc - 进程间通信的实现代码
  10. kernel - 内核大多数关键的核心功能实现代码
  11. lib - 库文件代码
  12. mm - 用于实现内存管理中与体系结构无关的部分
  13. net - 网络协议的实现代码
  14. samples - 一些内核编程范例
  15. scripts - 配置内核的脚本
  16. security - SELinux的模块
  17. sound - 音频设备的驱动程序
  18. usr - cpio命令实现(用于制作根文件系统时, 把文件系统与内核放到一起)
  19. virt - 内核虚拟机

Linux内核配置与编译

• Linux内核具有可定制的优点,具体步骤如下:

  1. 清除临时文件、中间文件和配置文件

     1. make clean - remove most generated files but keep the config files
     2. make mrproper - remove all generated files and config files
     3. make distclean - mrproper + remove editor backup and patch files

  2. 确定目标系统的软硬件配置情况

     比如CPU的类型、网卡的型号、所需支持的网络协议等.

  3. 使用如下命令之一配置内核:

     配置选项说明:

     内核配置通常在一个已有的配置文件基础上,通过修改得到新的配置文件, Linux内核提供了一系列可供参考的内核配置文件,位于arch/<cpu>/configs.

     1. make config: 基于文本模式的交互式配置
     2. make menuconfig: 基于文本模式的菜单型配置(推荐),使用方法如下:
        1. 使用方向键在各选项间移动;
        2. 使用Enter键或快捷键(选项上的高亮字母)进入下一层选单;
        3. 在括号中按y将这个项目编译进内核中,按m编译为模块,按n为不选择,按h可显示该选项的帮助信息; 按空格可在y m n三者间切换; 按Esc将返回到上层选单;
     3. make oldconfig: 使用已有的配置文件(.config),但会询问新增的配置选项.
     4. make xconfig: 图形化的配置(需安装图形化系统)

  4. 编译内核

     使用如下命令之一编译内核 编译好的内核位于arch/<cpu>/boot/目录下

     1. make zImage - X86平台下只能用于小于512K的内核
     2. make bzImage
     3. make zImage V=1 - 获取详细编译信息
     4. make bzImage V=1

  5. 编译内核模块 - make modules

  6. 安装内核模块 - make modules_install

  7. 制作init ramdisk - (启动Linux内核专用的一个被压缩过的小型根文件系统)

     mkinitrd initrd-$version $version

     例:mkinitrd initrd-2.6.29 2.6.29

     $version 可以通过查询lib/modules下的目录得到

  8. 内核安装(X86)

     1. 拷贝内核文件至指定目录

     cp arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-$version

     2. 拷贝ramdisk至指定目录

     cp $initrd /boot/

     3. 设置启动项,并将启动项关联内核文件及ramdisk

        修改/etc/grub.conf或者/etc/lilo.conf

Linux内核模块开发

• 什么是内核模块?

Linux内核的整体结构非常庞大,其包含的组件也非常多,如何使用需要的组件呢?

1. 把所有的组件都编译紧内核文件(zImage/bzImage), 缺点:
   1. 生成的内核文件过大;
   2. 如果要添加或删除某个组件,需要重新编译整个内核.
2. 把部分组件以内核模块的方式编译调用,特点:
   • 模块本身并不被编译紧内核文件
   • 可根据需求,在内核运行期间动态的安装/卸载

• 内核模块程序结构
  1. 模块加载函数(必需) - module_init宏指定
  2. 模块卸载函数(必需) - module_exit宏指定

// 范例:
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

// 模块加载函数(必需)
static int hello_init(void)
{
  printk(KERN_WARNING"Hello, world!\n");
  return 0;
}

// 模块卸载函数(必需)
static void hello_exit(void)
{
  printk(KERN_INFO"Goodbye, world!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

• 内核模块的编译 - 通常使用makefile
• 如何编写makefile, 使得编译中增加内核模块？

// 1. 内核模块由一个源文件构成
ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := hello.o

else

KDIR := /lib/modules/2.6.29/build
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif

// 2. 内核模块由多个源文件构成
// --- main.c ---
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Jacey Wu");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Module");
MODULE_ALIAS("a simplest module");

extern int add(int a, int b);
static int __init hello_init()
{
	printk("Hello World!\n");
	add(1, 2);
	return 0;
}

static void __exit hello_exit()
{
	printk("<7>hello <0>exit\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
// --- main.c ---

// --- add.c ---
int add(int a, int b)
{
	return a+b;
}
// --- add.c ---

// --- makefile ---
ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := hello.o
hello-objs := main.o add.o

else

KDIR := /lib/modules/2.6.29/build
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif
// --- makefile ---

• 内核模块的安装与卸载
  1. 加载 insmod
  2. 卸载 rmmod
  3. 查看 lsmod
  4. 加载 modprobe

modprobe与insmod区别在于, 前者会根据文件/lib/modules/<$version>/modules.dep来查看要加载的模块,是否依赖于其他模块,如果是,将会首先找到这些模块,把它们先加载到内核.

• 内核模块可选信息
  1. 许可证申明 - 宏MODULE_LICENSE
  2. 作者申明 - 宏MODULE_AUTHOR
  3. 模块描述 - 宏MODULE_DESCRIPTION
  4. 模块版本 - 宏MODULE_VERSION
  5. 模块别名 - 宏MODULE_ALIAS
  6. 模块参数 - 宏module_param(name, type, perm)
     1. name - 模块参数的名称(变量名).
     2. type - 模块参数的类型. bool:布尔型; int:整型; charp:字符串型;
     3. perm - 模块参数的访问权限.
        • S_IRUGO: 任何用户都对/sys/module中出现的该参数具有读权限;
        • S_IWUSR: 允许root用户修改/sys/module中出现的该参数;

// --- param.c ---
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

static char* name = "Jacey Wu";
static int   age = 100;

module_param(age, int, S_IRUGO);
module_param(name, charp, S_IRUGO);

static int hello_init(void)
{
	printk(KERN_EMERG" Name:%s\n", name);
	printk(KERN_EMERG" Age:%d\n", age);
	return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
	printk(KERN_INFO" Module Exit\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
// --- param.c ---

• 内核符号导出
  1. /proc/kallsyms记录了内核中所有导出的符号的名字与地址
  2. 为什么要导出内核符号? - 供其他内核模块使用这些符号(模块之间的依赖关系)
  3. 内核符号的导出使用:
     • EXPORT_SYMBOL()
     • EXPORT_SYMBOL_GPL() - 只能用于包含GPL许可证的模块.

// hello.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Jacey Wu");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Module");
MODULE_ALIAS("a simplest module");

extern int add_integar(int a, int b);
extern int sub_integar(int a, int b);

static int __init hello_init()
{
	int res = add_integar(1, 2);
	return 0;
}

static void __exit hello_exit()
{
	int res = sub_integar(2, 1);
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

// calculate.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

int add_integar(int a, int b)
{
	return a+b;
}
int sub_integar(int a, int b)
{
	return a-b;
}

static int __init sym_init()
{
	return 0;
}
static int __exit sym_exit()
{
}

module_init(sym_init);
module_exit(sym_exit);

EXPORT_SYMBOL(add_integar); // 内核符号导出
EXPORT_SYMBOL(sub_integar); // 内核符号导出

• 常见问题

  1. 版本不匹配:
     • 原因: 内核模块的版本由其所依赖的内核代码版本所决定,在加载内核模块时,insmod程序会将内核模块版本与当前正在运行的内核版本比较,如果不一致将会报错.
     • 解决方法:
       1. 使用modprobe --force-modversion强行插入
       2. 确保编译内核模块时,所依赖的内核代码版本与当前正在运行的内核版本一致.
       3. 可通过uname -r查看当前运行的内核版本

• 内核模块与应用程序的区别:

  1. 应用程序是从头到尾执行任务,执行结束后从内存中消失;
  2. 内核模块是先在内核中注册自己以便服务于将来的某个请求,然后它的初始化函数结束,此时模块仍然存在于内核中,知道卸载函数被调用,模块才从内核中消失;

• 内核打印 - printk与printf区别:

  1. printk在内核中使用; printf在应用程序中使用;
  2. printk允许根据严重程度,通过附加不同的"优先级"来对消息分类; 按照优先级递减的顺序分别为:
     1. KERN_EMERG - 用于紧急消息
     2. KERN_ALERT - 需要立即行动的消息
     3. KERN_CRIT - 严重情况
     4. KERN_ERR - 错误情况
     5. KERN_WARNING - 有问题的警告
     6. KERN_NOTICE - 正常情况,但是仍然值得注意
     7. KERN_INFO - 信息型消息
     8. KERN_DEBUG - 用作调试信息

  没有指定优先级的printk默认使用DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL优先级, 是一个在kernel/printk.c中定义的整数

  控制台优先级配置 /proc/sys/kernel/printk 6 4 1 7

  Console_loglevel

  Default_message_loglevel

  Minimum_console_level

  Default_console_loglevel