Linux內核模塊簡介
衆所周知，Linux系統已經成了應用最爲廣泛的操作系統。小到日常經常用到的電子設備，比如，智能手機、智能手錶等，大到互聯網公司的數據中心，都可以見到Linux的身影。Linux之所以如此成功，其中一個比較關鍵的因素就是她非常優秀的內核設計。這種設計可以使其適應各種場景的需求，加上天生開源的特質，想不火都難。
今天，本文所要介紹的就是Linux內核相關開發中一個比較基礎的概念：Linux Kernel Module(LKM)。大家，可能都知道，Linux是一個跨平臺的操作系統，市面上幾乎所有的硬件平臺，Linux應該都是支持的。即便，暫時不支持，也可以經過少許的適配，就可以使Linux系統完美的運行起來。那麼，LKM在硬件平臺的適配中就扮演着十分鐘的角色，有數據表面，Linux內核源代碼中有超過50%都是設備驅動相關的代碼，而設備驅動一般都是以內核模塊的形式存在。
Linux內核是宏內核，簡單來說就是內核就是一個整體，可以理解成爲一個可執行程序，內核包攬了所有的系統功能，比如，進程調度、內核管理、文件系統、設備管理等等。這樣勢必出現一個問題，那就是如果開啓所有的功能，會使得內核變得十分的臃腫。而LKM，可以從一定程度上，解決這個問題。通過將內核功能模塊實現爲LKM，可以對內核進行精簡，只保留最爲核心的功能，然後，其他功能模塊，可以隨着後續需求，進行動態的加載。Linux內核通過LKM可以動態的管理內核功能，使內核功能就要U盤一樣，支持熱插拔，這樣做不僅可以節約內核運行時的硬件要求，同時可以滿足內核功能的實時擴展性。
Linux內核實現了一整套管理LKM的框架，用來加載、卸載、管理模塊間的關係。LKM本質上就是一段可以被鏈接到內核空間的代碼片段，其格式和內核一樣，都是ELF格式，其爲內核提供訪問該模塊的入口和出口，而後內核模塊管理框架，就會自動的將其鏈接到內核空間，從而完成內核功能的擴展。
下面，就通過一個實例，簡單的介紹一下LKM。
基本實例
LKM既然是內核代碼片段，那麼其運行的環境就是內核環境，而內核環境有其獨特開發標準和開發庫。Linux用戶空間開發一般的都是基於libc庫，比如大名鼎鼎的glibc。而內核環境不依賴於glibc，所以LKM不會依賴於libc開發，而是基於內核開發框架。下面以一個實例來說明一下，LKM的開發方式。
與大多數入門程序示例一樣，這裏我們也是實現一個打印“hello，world"的LKM。
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
static int __init module_init_func(void)
{
printk("hello, world.\n");
return 0;
}
static void __exit module_exit_func(void)
{
return;
}
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_VERSION("v0.1");
MODULE_AUTHOR("lhl");
MODULE_DESCRIPTION("LKM, helloworld.");
module_init(module_init_func);
module_exit(module_exit_func);
上面代碼的基本含義如下：
- init.h和module.h是編寫內核模塊必須包含的兩個頭文件，裏面包含LKM基本的數據結構和主要的API。
- module_init_func和module_exit_func分別對應LKM的入口和出口，而module_init和module_exit用於將這兩個函數註冊到內核中。
- 宏MODULE_LICENSE用於聲明內核模塊所遵循的協議，一般有GPL、GPL v2、GPL and additional rights、Dual BSD/GPL等。
- 宏MODULE_VERSION用於聲明內核模塊的版本信息。
- 宏MODULE_AUTHOR用於聲明LKM的作者信息。
- 宏MODULE_DESCRIPTION用於聲明LKM的基本功能描述。
內核模塊的編譯分爲兩種：單獨編譯和嵌入到內核代碼中編譯。一般情況下，LKM的編譯選擇單獨編譯，這種編譯方式有兩種優勢：
- 編譯速度快；
- 便於代碼的維護。
單獨編譯需要提前構建內核編譯環境，構建方式有兩種：
- 下載內核源碼，編譯完成後，執行make modules_install安裝。
- 如果是Ubuntu系統，可以使用sudo apt-get install linux-headers-$(uname -r)安裝適配於當前內核的構建環境。
內核模塊的構建需要編寫Makefile文件，我們把上面的helloworld保存爲hellword.c，相應的Makefile文件的內容如下：
obj-m:=helloworld.o
KERS :=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
make -C $(KERS) M=$(shell pwd) modules
clean:
make -C $(KERS) M=$(shell pwd) clean
上述代碼的基本含義如下：
- obj-m:用於定義內核模塊的二進制名稱，注意，該文件名稱與內核模塊的c程序文件名進行對應。
- KERS:用於聲明內核編譯環境的位置。
- all：用於定義目標文件的編譯規則，make -C (shell pwd)指定當前LKM的路徑，modules表示進行LKM的編譯。
- clean:與all目標類似，這裏用於定義清理LKM編譯過程中產生的文件，包括.ko文件。
好了，準備好了編譯內核模塊的所有文件，執行make，可以看到下面的編譯過程。
$ make
make -C /lib/modules/5.3.0-45-generic/build M=/home/lhl/learn/LKM/example modules
make[1]: 進入目錄“/usr/src/linux-headers-5.3.0-45-generic”
CC [M] /home/lhl/learn/LKM/example/helloworld.o
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
CC /home/lhl/learn/LKM/example/helloworld.mod.o
LD [M] /home/lhl/learn/LKM/example/helloworld.ko
make[1]: 離開目錄“/usr/src/linux-headers-5.3.0-45-generic”
helloworld.ko就是最終生成的內核模塊，使用sudo insmod helloworold.ko，安裝該內核模塊，然後，執行dmesg，可以看到內核日誌：
$ sudo insmode helloworld.ko
$ dmesg
......
[18813.852210] hello, world.
......
$ sudo rmmod helloworld.ko
通過sudo rmmod helloworld，可以卸載內核模塊。
還可以通過，modinfo可以查看LKM的基本信息：
$ modinfo helloworld.ko
filename: /home/lhl/learn/LKM/example/helloworld.ko
description: LKM, helloworld.
author: lhl
version: v0.1
license: GPL v2
srcversion: 44ADBB2239DA10943034DBE
depends:
retpoline: Y
name: helloworld
vermagic: 5.3.0-45-generic SMP mod_unload
總結
上面就是對於LKM的簡單介紹，對於一個小白足可以完成一個內核模塊，後續文章還會深入分析LKM的具體的實現機制。