LDD3筆記：第二章構造和運行模塊

在正式進行驅動開發前，需要了解有關模塊編程和內核編程的一些基本概念。在本節中將會構造幾個完整的（但絕對沒啥功用的）模塊。設置測試系統一般的發行版本都會裝好內核代碼樹的，用過的Red Hat Enterprise Linux 5.x, Fedora 15/16, CentOS5.x系統中，其在/usr/src/kernels/$(shelluname -r)/目錄下.你最好使用的內核源碼樹是和運行時的內核一個版本，起碼初學時不會遇到微妙的問題。

2.6版本的 Linux 內核提供了用戶工具來管理模塊：
     lsmod：查看mod
     modprobe：insmod 和 rmmod 的包裝
     depmod：用於創建模塊依賴項
     modinfo：用於爲模塊宏查找值，查看模塊信息

讓我們從老熟人：Hello World 模塊說起：

/* hello.c */
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_AUTHOR(" anonyWoo <[email protected]>");
MODULE_DESCRIPTION("To say Hello to the word");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 
static __init int hello_init(void)
{
          printk(KERN_ALERT "Hello, world!\n");
       return 0;
}
 
static __exit void hello_exit(void)
{
       printk(KERN_ALERT "Seeyou than, cruel world!\n");
}
 
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

在module.h中定義了大量的MODULE_前綴宏，當然也包含了用於聲明模塊初始化及模塊註銷時清除函數的宏：
module_init();
module_exit();
模塊初始化函數：
static __init int hello_init(void)

其中的__init就是告訴內核該函數只在初始化時使用一次，隨後其佔據的內存就被內核釋放了。所以如果你的初始化函數還爲其他的功能模塊提供功能，那就別加上__init了。

與其相似的，__exit就是當模塊移除時，內核會調用來移除模塊。如果模塊被編譯進了內核或者模塊不允許移移除，內核2.6用宏CONFIG_MODULE_UNLOAD來配置模塊不允許被移除。那麼__exit函數只是誒簡單的丟棄。如果一個模塊未定義一個清除函數，則模塊時不可移除的。

關於__init還得說倆句，內核時怎麼知道當hello_init函數初始化完成後，在哪釋放她佔的內存呢？這就有必要了解一下ELF（Executable and Linking Format, 可執行可鏈接格式）。

圖 1

看見上面的objdump輸出了吧：其中的.init.text和.exit.text代碼段。任何加了__init和__exit前綴的函數都會被鏈接到相應的段中去，到時內核會自動銷燬他們。
另外，你也可以進入/sys/module/hello/ sections 目錄中，也會看到各個節。
且看init.h中的：

 /* These macros are used to mark some functions or
 * initialized data (doesn't apply to uninitialized data)
 * as `initialization' functions. The kernel can take this
 * as hint that the function is used only during the initialization
 * phase and free up usedmemory resources after
 *
 * Usage:
 * For functions:
 *
 * You should add __init immediately before the functionname, like:
 *
 * static void __init initme(int x, int y)
 * {
 *    extern int z; z= x * y;
 * }

#define     __init         __attribute__ ((__section__((".init.text")))

__attribute__是GNU C的一個擴展，主要用來聲明一些特殊的屬性，而section就是其中之一。上面的意思是由__init修飾的代碼會被鏈接到到.init.text段中（section，節）
在init.h中你會看到如下定義：

#define       __define_initcall(level,fn,id) \
                           static initcall_t__initcall_##fn##id__used\
                           __attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn
#define        device_initcall(fn)             __define_initcall("6",fn,6)
#define       __initcall(fn)           device_initcall(fn)
#define       module_init(x)           __initcall(x)

static __init int hello_init(void)
module_init(hello_init) /* 就是將hello_init指針放到到 .initcall6.init 子節中了
* module_init會被do_initcall調用來初始化 */

模塊到底是如何裝載與卸載的呢？
我們在用戶空間中:
[wang2@wuhz hello_world]$ insmod hello.ko
insmod 會調用用戶空間的系統調用init_module將hello.ko二進制文件複製到內核空間中去，接着交給內核；然後進入內核到達內核函數sys_init_module(2.6.32中在linux/sysycalls.h中)。這是加載模塊的主要函數，它利用非常多的其他函數完成工作。
rmmod則會使delete_module執行system call調用，而delete_module最終會進入內核，並調用sys_delete_module將hello.ko模塊從內核刪除。
裝載細節：

init_module->sys_init_module->capable(CAP_SYS_MODULE)
->load_module->layout_and_allocate->copy_and_check
->setup_load_info
->check_modinfo
現在，我們看看加載模塊時的內部函數。
當調用內核函數 sys_init_module 時，會開始一個許可檢查，只有特權用戶纔可以執行這個操作（通過 capable 函數完成）。
然後，調用 load_module 函數，這個函數首先會爲將模塊分配ELF塊內存，接着調用copy_from_user將hello.ko模塊加載到內核並執行必要的檢查。圖片1中的各個節（section或叫段）共同組成了ELF；
接着會進行ELF類型type檢查，架構arch檢查，size檢查,etc.
然後創建一些快捷變量（Convenience variables）,方便隨後的訪問，同時檢查ELF的區段頭部，ELF的start address 0x00000000，這樣就容易定位各個節的地址了；這期間還檢查了是否開啓了CONFIG_MODULE_UNLOAD標誌（文章開始說過了）；
還會檢查version；進行版本檢查，需要三個節的配合：
6.modinfo
9.__versions
11.gnu.linkonce.this_module
接受模塊參數，並且更新模塊狀態正在加載:
mod->state= MODULE_STATE_COMING 。如果需要 per-CPU 數據（這在檢查區段頭時確定），那麼就分配 per-CPU 塊;
前面load_module分配的ELF內存時臨時的，現在知道誰可以留誰得走了，就爲模塊分配最終的位置，並移動相應的節；
然後執行另一個分配，大小是模塊必要區段所需的大小。迭代臨時 ELF 塊中的每個區段，並將需要執行的區段複製到新的塊中。接下來要進行一些額外的維護。同時還進行符號解析，可以解析位於內核中的符號（被編譯成內核映象），或臨時的符號（從其他模塊導出）；
然後爲每個剩餘的區段迭代新的模塊並執行重新定位(do relocations);這個步驟與架構有關，因此依賴於爲架構（./linux/arch/<arch>/kernel/module.c）定義的 helper 函數；

最後，刷新指令緩存（因爲使用了臨時.text 區段），執行一些額外的維護（釋放臨時模塊內存，設置系統文件，是/sys/module/hello入口項，通過mod_sysfs_init(mod);來創建的，這回在設備模型章節中我們好好學習學習），返回mod。

卸載細節：
當調用內核函數 sys_delete_module（將要刪除的模塊的名稱作爲參數傳入）之後，第一步同樣是確保調用方具有權限；
接下來會檢查一個列表，查看是否存在依賴於這個模塊的其他模塊。這裏有一個名爲 modules_which_use_me 的列表，它包含每個依賴模塊的一個元素。如果這個列表爲空，就不存在任何模塊依賴項，因此這個模塊就是要刪除的模塊（否則會返回一個錯誤）；
接下來還要測試模塊是否加載。用戶可以在當前安裝的模塊上調用 rmmod，因此這個檢查確保模塊已經加載；
在幾個維護檢查之後，倒數第二個步驟是調用模塊的exit 函數（模塊內部自帶）；
最後，調用 free_module 函數。
調用 free_module 函數之後，您將發現模塊將被安全刪除。該模塊不存在依賴項，因此可以開始模塊的內核清理過程。
首先，從安裝期間添加的各種列表中（系統文件、模塊列表等）刪除模塊；
其次，調用一個與架構相關的清理例程（可以在 ./linux/arch/<arch>/kernel/module.c 中找到）；
然後，迭代具有依賴性的模塊，並將這個模塊從這些列表中刪除；
最後，從內核的角度而言，清理已經完成，爲模塊分配的各種內存已被釋放，包括參數內存、per-CPU 內存和模塊的 ELF 內存（core 和 init）。
版本依賴：
如果出現下面情況：
[root@wuhz hello_world]# insmod hello.ko
Error inserting './hello.ko': -1 Invalidmodule format
可以使用命令
#dmesg | tail -n 20
查看一下具體的原因，一般是構建hello.ko模塊的環境（內核源碼樹）和當前的kernel不一致造成的。
內核符號表：
你應該知道，linux系統中有非常多的優秀的簡潔的小工具，一個優秀的管理元可以通過整合這些個小工具來完成超複雜的工作！就如上面的命令：
#dmesg | tail -n 20
tail接受dmesg的輸出，並顯示最後20行的信息！同樣的各個模塊之間也可以共享各自的功能，輸出接口就好了，準確點是符號（symbols）。insmod會使用公共內核符號表來解析模塊中未定義的符號。公共內核符號表中包含了所有的全局內核項（func和variables）的地址，這使得模塊化成爲可能。當然，當你的模塊裝載到內核的時候，他所導出的符號也會成爲內核符號表的一部分供其他模塊使用！
linux爲我們提供一些宏方便我們導出符號以供她用：
EXPORT_SYMBOL(name);
EXPORT_SYMBOL_GPL(name);/* 顯然由他導出的符號只能供GPL授權的模塊使用 */
他們只能在模塊的全局部分導出，不能在函數中導出，因爲上面兩個宏會被擴展成一個特殊變量的申明，而改變量必須是全局的。

用objdump看一下會多出倆個節__ksymtab_gpl和__kcrctab_gpl（checksum of somesymbols）.在裝載時，內核從這個節（section或叫段）中來尋找模塊導出的變量。詳見<linux/module.h>文件。
預備知識：

所有的模塊代碼中都包含下面兩行代碼：
#include <linux/module.h> /* 其包含了模塊需要的大量符號和函數定義*/
#include <linux/init.h> /* 制定初始化和清除函數 */
也可能含有：
#include <linux/moduleparam.h> /* 可參數化裝載模塊 */

指定模塊使用的許可證：

MODULE_LICENSE("GPL");
/*     "GPL"                          [GNU Public License v2 or later]
 *     "GPL v2"                       [GNU Public License v2]
 *     "GPL and additional rights"    [GNU Public License v2 rights and more]
 *     "Dual BSD/GPL"                 [GNU Public License v2
 *                                       or BSD license choice]
 *     "Dual MIT/GPL"                 [GNU Public License v2
 *                                       or MITlicense choice]
 *     "Dual MPL/GPL"                 [GNU Public License v2
 *                                       orMozilla license choice]
 *
 * Thefollowing other idents are available
 *
 *     "Proprietary"                  [Non free products]
 */

也有些其他以MODULE_爲前綴的宏()定義在<linux/module.h>：

            MODULE_AUTHOR("anonyWoo");
       MODULE_DESCRIPTION("helloa.kois to say to world: Hello!");
       MODULE_VERSION(_version)；

模塊參數：

/*helloa.c  英語註釋的比較差，見諒哈 */
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/stat.h>         /* this header contains the accesspermission,e.g. S_IRUGO as showed bellow */
#include <linux/kernel.h>
#define MAXSIZE  5
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); /*to state the lincense */
 
static int array[MAXSIZE] = {1, 2, 3, 4};
static char *whom = "anonyWoo";
static int howmany = 1;
 
/** #insmod helloa.ko howmany=25
 * */
module_param(howmany, int, S_IRUGO);
 
/* #insmod helloa.kowhom="Miss.wong" */
module_param(whom, charp, S_IRUGO);
 
/** passing the parameter from the commandline has this form:
   #insmod ./helloa.ko array=4,5,6 */
module_param_array(array, int, NULL,S_IRUGO);
 
/*static __init int hello_init(void)*/
static int hello_init(void)
{
       int i, j;
       for(i = 0; i < howmany; i++)
                printk(KERN_ALERT "Hello,world %d time(s), hello %s\n", i + 1, whom);
      for(j = 0; j <MAXSIZE; j++ )
                printk(KERN_ALERT "This is%d time(s) output\n", *(array + j));
       return 0;
}
static __exit void hello_exit(void)
{
       printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world!\n");
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(hello_init);
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

Makefile

#if we had define the KERNELRELEASE, for itcalls from the kernel tree,
#that we can use the buildin statement asbellow.
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
       obj-m := helloa.o
#else, call from the command line directly,
#in this case, we have to call the kernel tree 
else
#這裏按照ldd3的似乎不行，遂改成如下形式了
       KERNELDIR ?= /usr/src/kernels/$(shell uname -r)/
default:
       $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
       $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean
endif

#make

#insmod helloa.ko howmany=5 whom=”Miss.wong”array=7,8,9

#dmesg | tail -n 10

...

Hello, world 1 time(s), hello Miss.wong

Hello, world 2 time(s), hello Miss.wong

Hello, world 3 time(s), hello Miss.wong

Hello, world 4 time(s), hello Miss.wong

Hello, world 5 time(s), hello Miss.wong

This is 7 time(s) output

This is 8 time(s) output

This is 9 time(s) output

This is 4 time(s) output

#lsmod | grep helloa

helloa 1314 0

#rmmod helloa

Goodbye, cruel world!

關於module_param(variable,type, perm);

/* type 可以是bool, charp, int, invbool(inverse bool), long, short, ushort, uint,ulong, or intarray。 */

module_param_array(array_name, array_item_type, array_nump, perm );

array_nump會是用戶提供的參數個數，且模塊會拒絕接受超過數組大小的值,由sizeof(array[0]) , 零數組長度，動態獲得其長度，指定NULL就可以了。

perm在<linux/stat.h>中定義，用於sysfs中入口項的訪問掩碼：eg. umask=0700,file: rwx------則相減得：---------

結束：

Ch02 is over...

To be continued...

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