Linux內核模塊開發（簡單）

Linux系統為應用程序提供了功能強大且容易擴展的API，但在某些情況下，這還遠遠不夠。與硬件交互或進行需要訪問系統中特權信息的操作時，就需要一個內核模塊。

Linux內核模塊是一段編譯后的二進制代碼，直接插入Linux內核中，在 Ring 0（x86–64處理器中執行最低和受保護程度最低的執行環）上運行。這里的代碼完全不受檢查，但是運行速度很快，可以訪問系統中的所有內容。

Intel x86架構使用了4個級別來標明不同的特權級。Ring 0實際就是內核態，擁有最高權限。而一般應用程序處於Ring 3狀態--用戶態。在Linux中，還存在Ring 1和Ring 2兩個級別，一般歸屬驅動程序的級別。在Windows平台沒有Ring 1和Ring 2兩個級別，只用Ring 0內核態和Ring 3用戶態。在權限約束上，高特權等級狀態可以閱讀低特權等級狀態的數據，例如進程上下文、代碼、數據等等，但反之則不可。Ring 0最高可以讀取Ring 0-3所有的內容，Ring 1可以讀Ring 1-3的，Ring 2以此類推，Ring 3只能讀自己的數據。

參考：https://www.cnblogs.com/KevinGeorge/p/8381149.html

1. 為什么要開發內核模塊

編寫Linux內核模塊並不是因為內核太龐大而不敢修改。直接修改內核源碼會導致很多問題，例如：通過更改內核，你將面臨數據丟失和系統損壞的風險。內核代碼沒有常規Linux應用程序所擁有的安全防護機制，如果內核發生故障，將鎖死整個系統。

更糟糕的是，當你修改內核並導致錯誤后，可能不會立即表現出來。如果模塊發生錯誤，在其加載時就鎖定系統是最好的選擇，如果不鎖定，當你向模塊中添加更多代碼時，你將會面臨失控循環和內存泄漏的風險，如果不小心，它們會隨着計算機繼續運行而持續增長，最終，關鍵的存儲器結構甚至緩沖區都可能被覆蓋。

編寫內核模塊時，基本是可以丟棄傳統的應用程序開發范例。除了加載和卸載模塊之外，你還需要編寫響應系統事件的代碼（而不是按順序模式執行的代碼）。通過內核開發，你正在編寫API，而不是應用程序。

你也無權訪問標准庫，雖然內核提供了一些函數，例如printk（可替代printf）和kmalloc（以與malloc相似的方式運行），但你在很大程度上只能使用自己的設備。此外，在卸載模塊時，你需要將自己清理干凈，系統不會在你的模塊被卸載后進行垃圾回收。

2. 准備

開始編寫Linux內核模塊之前，我們首先要准備一些工具。最重要的是，你需要有一台Linux機器，盡管可以使用任何Linux發行版，但本文中，我使用的是Ubuntu 16.04 LTS，如果你使用的其他發行版，可能需要稍微調整安裝命令。

其次，你需要一台物理機或虛擬機，我不建議你直接使用物理機編寫內核模塊，因為當你出錯時，主機的數據可能會丟失。在編寫和調試內核模塊的過程中，你至少會鎖定機器幾次，內核崩潰時，最新的代碼更改可能仍在寫緩沖區中，因此，你的源文件可能會損壞，在虛擬機中進行測試可以避免這種風險。

最后，你至少需要了解一些C。對於內核來說，C++在運行時太大了，因此編寫純C代碼是必不可少的。另外，對於其與硬件的交互，了解一些組件可能會有所幫助。

3. 安裝開發環境

在Ubuntu上，我們需要運行以下代碼：

sudo apt-get install build-essential linux-headers-`uname -r`

這將安裝本文所需的基本開發工具和內核頭文件。

以下示例假定你以普通用戶身份而非root用戶身份運行，但你具有sudo特權。sudo是加載內核模塊必需的，但是我們希望盡可能在非root權限下工作。

4. 入門模塊

讓我們開始編寫一些代碼，准備環境：

mkdir -p 〜/src/lkm_example

cd 〜/src/lkm_example

啟動您喜歡的編輯器（在我的例子中是vim），並創建具有以下內容的文件 lkm_example.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("abin");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example Linux module.");
MODULE_VERSION("0.01");

static int __init lkm_example_init(void) {
	printk(KERN_INFO "Hello, World!\n");
	return 0;
}
static void __exit lkm_example_exit(void) {
	printk(KERN_INFO "Goodbye, World!\n");
}

module_init(lkm_example_init);
module_exit(lkm_example_exit);

現在，我們已經構建了最簡單的內核模塊，下面介紹代碼的細節：

• "includes" 包括Linux內核開發所需的必需頭文件。

• 根據模塊的許可證，可以將MODULE_LICENSE設置為各種值。要查看完整列表，請運行：

  grep "MODULE_LICENSE" -B 27 /usr/src/linux-headers-`uname -r`/include/linux/module.h
  

• 我們將init（加載）和exit（卸載）函數都定義為靜態並返回int。

• 注意使用printk而不是printf，另外，printk與printf共享的參數也不相同。例如，KERN_INFO 是一個標志，用於聲明應為該行設置的日志記錄優先級，並且不帶逗號。內核在printk函數中對此進行分類以節省堆棧內存。

• 在文件末尾，我們調用module_init和module_exit函數告訴內核哪些函數是內核模塊的加載和卸載函數。這使我們可以任意命名這兩個函數。

目前，還無法編譯此文件，我們需要一個Makefile，請注意，make對於空格和制表符敏感，因此請確保在適當的地方使用制表符而不是空格。

obj-m += lkm_example.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

如果我們運行 "make"，它將成功編譯你編寫的模塊，編譯后的文件為 "lkm_example.ko"，如果收到任何錯誤，請檢查示例源文件中的引號是否正確，並且不要將其粘貼為UTF-8字符。

現在我們可以將此模塊加載進內核進行測試了，命令如下：

sudo insmod lkm_example.ko

如果一切順利，你將看不到任何輸出，因為printk函數不會輸出到控制台，而是輸出到內核日志。要看到內核日志中的內容，我們需要運行：

sudo dmesg

你應該看到以時間戳為前綴的行："Hello, World!"，這意味着我們的內核模塊已加載並成功打印到內核日志中。

我們還可以檢查模塊是否已被加載：

lsmod | grep "lkm_example"

要卸載模塊，運行：

sudo rmmod lkm_example

如果再次運行dmesg，你將看到"Goodbye, World!" 在日志中。你也可以再次使用lsmod命令確認它已卸載。

如你所見，此測試工作流程有點繁瑣，因此要使其自動化，我們可以在Makefile中添加：

test:
	sudo dmesg -C
	sudo insmod lkm_example.ko
	sudo rmmod lkm_example.ko
	dmesg

現在，運行：

make test

測試我們的模塊並查看內核日志的輸出，而不必運行單獨的命令。

現在，我們有了一個功能齊全，但又很簡單的內核模塊！

5. 一般模塊

讓我們再思考下。盡管內核模塊可以完成各種任務，但與應用程序進行交互是其最常見的用途之一。

由於操作系統限制了應用程序查看內核空間內存的內容，因此，應用程序必須使用API與內核進行通信。盡管從技術上講，有多種方法可以完成此操作，但最常見的方法是創建設備文件。

你以前可能已經與設備文件進行過交互。使用 /dev/zero，/dev/null 或類似設備的命令就是與名為 zero 和 null 的設備進行交互，這些設備將返回期望的值。

在我們的示例中，我們將返回 "Hello，World"，雖然這些字符串對於應用程序並沒有什么用，但它將顯示通過設備文件響應應用程序的過程。

這是完整代碼：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Robert W. Oliver II");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example Linux module.");
MODULE_VERSION("0.01");

#define DEVICE_NAME "lkm_example"
#define EXAMPLE_MSG "Hello, World!\n"
#define MSG_BUFFER_LEN 15

/* Prototypes for device functions */
static int device_open(struct inode *, struct file *);
static int device_release(struct inode *, struct file *);
static ssize_t device_read(struct file *, char *, size_t, loff_t *);
static ssize_t device_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
               
static int major_num;
static int device_open_count = 0;
static char msg_buffer[MSG_BUFFER_LEN];
static char *msg_ptr;
               
/* This structure points to all of the device functions */
static struct file_operations file_ops = {
 .read = device_read,
 .write = device_write,
 .open = device_open,
 .release = device_release
};
               
/* When a process reads from our device, this gets called. */
static ssize_t device_read(struct file *flip, char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
	int bytes_read = 0;
 	/* If we’re at the end, loop back to the beginning */
 	if (*msg_ptr == 0) {
 		msg_ptr = msg_buffer;
 	}
 	/* Put data in the buffer */
 	while (len && *msg_ptr) {
    /* Buffer is in user data, not kernel, so you can’t just reference
     * with a pointer. The function put_user handles this for us */
    put_user(*(msg_ptr++), buffer++);
    len--;
    bytes_read++;
	}
 	return bytes_read;
}
               
/* Called when a process tries to write to our device */
static ssize_t device_write(struct file *flip, const char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
	/* This is a read-only device */
 	printk(KERN_ALERT "This operation is not supported.\n");
 	return -EINVAL;
}
         
/* Called when a process opens our device */
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
 	/* If device is open, return busy */
 	if (device_open_count) {
 		return -EBUSY;
 	}
 	device_open_count++;
 	try_module_get(THIS_MODULE);
 	return 0;
}
         
/* Called when a process closes our device */
static int device_release(struct inode *inode, struct file *file) {
 	/* Decrement the open counter and usage count. Without this, the module would not unload. */
 	device_open_count--;
 	module_put(THIS_MODULE);
 	return 0;
}
         
static int __init lkm_example_init(void) {
 	/* Fill buffer with our message */
 	strncpy(msg_buffer, EXAMPLE_MSG, MSG_BUFFER_LEN);
 	/* Set the msg_ptr to the buffer */
 	msg_ptr = msg_buffer;
 	/* Try to register character device */
 	major_num = register_chrdev(0, "lkm_example", &file_ops);
 	if (major_num < 0) {
  	printk(KERN_ALERT "Could not register device: %d\n", major_num);
  	return major_num;
 	} else {
  	printk(KERN_INFO "lkm_example module loaded with device major number %d\n", major_num);
  	return 0;
 	}
}

static void __exit lkm_example_exit(void) {
 	/* Remember — we have to clean up after ourselves. Unregister the character device. */
 	unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
 	printk(KERN_INFO "Goodbye, World!\n");
}

/* Register module functions */
module_init(lkm_example_init);
module_exit(lkm_example_exit);

既然我們的示例所做的不僅僅是在加載和卸載時打印一條消息，讓我們修改Makefile，使其僅加載模塊而不卸載模塊：

obj-m += lkm_example.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
test:
  # We put a — in front of the rmmod command to tell make to ignore
  # an error in case the module isn’t loaded.
  -sudo rmmod lkm_example
  # Clear the kernel log without echo
  sudo dmesg -C
  # Insert the module
  sudo insmod lkm_example.ko
  # Display the kernel log
  dmesg

現在，當您運行 "make test" 時，您將看到設備主號碼的輸出。在我們的示例中，這是由內核自動分配的，但是，你需要此值來創建設備。

獲取從 "make test" 獲得的值，並使用它來創建設備文件，以便我們可以從用戶空間與內核模塊進行通信：

sudo mknod /dev/lkm_example c MAJOR 0

在上面的示例中，將MAJOR替換為你運行 "make test" 或 "dmesg" 后得到的值，我得到的MAJOR為236，如上圖，mknod命令中的 "c" 告訴mknod我們需要創建一個字符設備文件。

現在我們可以從設備中獲取內容：

cat /dev/lkm_example

或者通過 "dd" 命令：

dd if=/dev/lkm_example of=test bs=14 count=100

你也可以通過應用程序訪問此設備，它們不必編譯應用程序--甚至Python、Ruby和PHP腳本也可以訪問這些數據。

完成測試后，將其刪除並卸載模塊：

sudo rm /dev/lkm_example
sudo rmmod lkm_example

6. 結論

盡管我提供的示例是簡單內核模塊，但你完全可以根據此結構來構造自己的模塊，以完成非常復雜的任務。

請記住，你在內核模塊開發過程中完全靠自己。如果你為客戶提供一個項目的報價，一定要把預期的調試時間增加一倍，甚至三倍。內核代碼必須盡可能的完美，以確保運行它的系統的完整性和可靠性。

本文參考：https://blog.sourcerer.io/writing-a-simple-linux-kernel-module-d9dc3762c234