Linux模块机制浅析
Linux允许用户通过插入模块，实现干预内核的目的。一直以来，对linux的模块机制都不够清晰，因此本文对内核模块的加载机制进行简单地分析。
模块的Hello World！
我们通过创建一个简单的模块进行测试。首先是源文件main.c和Makefile。
florian@florian-pc:~/module$ cat main.c
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
static int __init init(void)
{
printk("Hi module!\n");
return 0;
}
static void __exit exit(void)
{
printk("Bye module!\n");
}
module_init(init);
module_exit(exit);
其中init为模块入口函数，在模块加载时被调用执行，exit为模块出口函数，在模块卸载被调用执行。
florian@florian-pc:~/module$ cat Makefile
obj-m += main.o
#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
#clean
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean
其中，obj-m指定了目标文件的名称，文件名需要和源文件名相同（扩展名除外），以便于make自动推导。
然后使用make命令编译模块，得到模块文件main.ko。
florian@florian-pc:~/module$ make
make -C /usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic M=/home/florian/module modules
make[1]: 正在进入目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
make[1]:正在离开目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'
使用insmod和rmmod命令对模块进行加载和卸载操作，并使用dmesg打印内核日志。
florian@florian-pc:~/module$ sudo insmod main.ko;dmesg | tail -1
[31077.810049] Hi module!
florian@florian-pc:~/module$ sudo rmmod main.ko;dmesg | tail -1
[31078.960442] Bye module!
通过内核日志信息，可以看出模块的入口函数和出口函数都被正确调用执行。
模块文件
使用readelf命令查看一下模块文件main.ko的信息。
florian@florian-pc:~/module$ readelf -h main.ko
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: REL (Relocatable file)
Machine: Intel 80386
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 1120 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 0 (bytes)
Number of program headers: 0
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 19
Section header string table index: 16
我们发现main.ko的文件类型为可重定位目标文件，这和一般的目标文件格式没有任何区别。我们知道，目标文件是不能直接执行的，它需要经过链接器的地址空间分配、符号解析和重定位的过程，转化为可执行文件才能执行。
那么，内核将main.ko加载后，是否对其进行了链接呢？
模块数据结构
首先，我们了解一下模块的内核数据结构。
linux3.5.2/kernel/module.h:220
struct module
{
……
/* Startup function. */
int (*init)(void);
……
/* Destruction function. */
void (*exit)(void);
……
};
模块数据结构的init和exit函数指针记录了我们定义的模块入口函数和出口函数。
模块加载
模块加载由内核的系统调用init_module完成。
linux3.5.2/kernel/module.c:3009
/* This is where the real work happens */
SYSCALL_DEFINE3(init_module, void __user *, umod,
unsigned long, len, const char __user *, uargs)
{
struct module *mod;
int ret = 0;
……
/* Do all the hard work */
mod = load_module(umod, len, uargs);//模块加载
……
/* Start the module */
if (mod->init != NULL)
ret = do_one_initcall(mod->init);//模块init函数调用
……
return 0;
}
系统调用init_module由SYSCALL_DEFINE3(init_module...)实现，其中有两个关键的函数调用。load_module用于模块加载，do_one_initcall用于回调模块的init函数。
函数load_module的实现为。
linux3.5.2/kernel/module.c:2864
/* Allocate and load the module: note that size of section 0 is always
zero, and we rely on this for optional sections. */
static struct module *load_module(void __user *umod,
unsigned long len,
const char __user *uargs)
{
struct load_info info = { NULL, };
struct module *mod;
long err;
……
/* Copy in the blobs from userspace, check they are vaguely sane. */
err = copy_and_check(&info, umod, len, uargs);//拷贝到内核
if (err)
return ERR_PTR(err);
/* Figure out module layout, and allocate all the memory. */
mod = layout_and_allocate(&info);//地址空间分配
if (IS_ERR(mod)) {
err = PTR_ERR(mod);
goto free_copy;
}
……
/* Fix up syms, so that st_value is a pointer to location. */
err = simplify_symbols(mod, &info);//符号解析
if (err < 0)
goto free_modinfo;
err = apply_relocations(mod, &info);//重定位
if (err < 0)
goto free_modinfo;
……
}
函数load_module内有四个关键的函数调用。copy_and_check将模块从用户空间拷贝到内核空间，layout_and_allocate为模块进行地址空间分配，simplify_symbols为模块进行符号解析，apply_relocations为模块进行重定位。
由此可见，模块加载时，内核为模块文件main.ko进行了链接的过程！
至于函数do_one_initcall的实现就比较简单了。
linux3.5.2/kernel/init.c:673
int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)
{
int count = preempt_count();
int ret;
if (initcall_debug)
ret = do_one_initcall_debug(fn);
else
ret = fn();//调用init module
……
return ret;
}
即调用了模块的入口函数init。
模块卸载
模块卸载由内核的系统调用delete_module完成。
linux3.5.2/kernel/module.c:768
SYSCALL_DEFINE2(delete_module, const char __user *, name_user,
unsigned int, flags)
{
struct module *mod;
char name[MODULE_NAME_LEN];
int ret, forced = 0;
……
/* Final destruction now no one is using it. */
if (mod->exit != NULL)
mod->exit();//调用exit module
……
free_module(mod);//卸载模块
……
}
通过回调exit完成模块的出口函数功能，最后调用free_module将模块卸载。
结论
如此看来，内核模块其实并不神秘。传统的用户程序需要编译为可执行程序才能执行，而模块程序只需要编译为目标文件的形式便可以加载到内核，有内核实现模块的链接，将之转化为可执行代码。同时，在内核加载和卸载的过程中，会通过函数回调用户定义的模块入口函数和模块出口函数，实现相应的功能。
参考资料