📚 课程目录第2章内核模块基础

2. 内核模块基础

Linux内核模块是动态加载到内核中的代码片段，用于扩展内核功能而不需要重新编译整个内核或重启系统。理解模块的加载与卸载机制、初始化与退出函数以及许可证声明，是编写可靠驱动程序的基石。

2.1 模块的加载与卸载

内核模块的生命周期由两个核心操作控制：加载（insmod/modprobe）和卸载（rmmod）。加载时，内核将模块的二进制代码复制到内核地址空间，并执行模块的初始化函数；卸载时，内核执行模块的退出函数，并释放相关资源。

操作	用户态命令	内核态回调	说明
加载	`insmod mymodule.ko`	`module_init()` 指定的函数	将模块插入内核，执行初始化
卸载	`rmmod mymodule`	`module_exit()` 指定的函数	从内核移除模块，执行清理
依赖加载	`modprobe mymodule`	自动处理依赖	自动加载依赖模块
查看已加载	`lsmod`	—	列出当前所有内核模块

提示： modprobe 比 insmod 更智能，它会自动解析并加载模块依赖（如 depmod 生成的依赖关系），推荐在开发后期使用。

2.2 module_init / module_exit 机制

每个内核模块必须声明初始化函数和退出函数，并通过宏 module_init() 和 module_exit() 注册到内核框架中。这两个宏本质上是将函数指针放入特定的 ELF section（.init.text 和 .exit.text），内核在加载/卸载时通过符号表找到并调用它们。

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

static int __init mymodule_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "MyModule: 模块已加载\n");
    /* 在此处注册设备、分配资源、初始化定时器等 */
    return 0;  /* 返回0表示成功，负值表示失败 */
}

static void __exit mymodule_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "MyModule: 模块已卸载\n");
    /* 在此处释放资源、注销设备等 */
}

module_init(mymodule_init);
module_exit(mymodule_exit);

  关键点：
  __init 标记：初始化函数在运行后会被内核自动丢弃，释放内存。
__exit 标记：退出函数在模块编译进内核（非模块）时会被忽略。
初始化函数返回 0 表示成功；返回负的错误码（如 -ENOMEM）表示加载失败，内核会回滚加载操作。

下面的SVG图展示了模块从用户态命令到内核态回调的完整流程：

2.3 LICENSE 与作者信息

Linux内核是GPL许可证下的开源项目。内核模块必须声明其许可证，否则内核会认为该模块污染了内核，并在加载时打印警告信息。此外，良好的模块应包含作者和描述信息，便于维护和追踪。

MODULE_LICENSE("GPL");               /* 必须：声明许可证 */
MODULE_AUTHOR("Zhang San <zhangsan@example.com>");  /* 推荐：作者信息 */
MODULE_DESCRIPTION("A sample kernel module for timer and interrupt demo"); /* 推荐：模块描述 */
MODULE_VERSION("1.0");               /* 可选：版本号 */
MODULE_ALIAS("mymodule");            /* 可选：模块别名 */

宏	参数示例	说明
`MODULE_LICENSE`	`"GPL"`, `"GPL v2"`, `"Dual BSD/GPL"`	声明许可证类型；非GPL兼容许可证会导致内核标记为“污染”
`MODULE_AUTHOR`	`"Name <email>"`	标识模块作者，便于问题反馈
`MODULE_DESCRIPTION`	`"简短描述"`	说明模块功能，`modinfo` 命令可查看
`MODULE_VERSION`	`"1.0"`	版本号，用于模块版本管理
`MODULE_ALIAS`	`"char-major-200-*"`	为模块提供别名，便于自动加载

警告： 如果模块使用非GPL兼容许可证（如 "Proprietary"），内核将禁止该模块调用标记为 EXPORT_SYMBOL_GPL 的符号。这会导致许多核心内核API不可用，强烈建议驱动开发者使用 "GPL" 或 "Dual BSD/GPL"。

下面的SVG图展示了模块元数据与内核符号导出机制之间的关系：

2.4 完整的最小模块示例

将上述所有元素组合在一起，得到一个完整的最小内核模块：

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello: 模块加载成功\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello: 模块卸载成功\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Expert <expert@kernel.org>");
MODULE_DESCRIPTION("Minimal hello world kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

编译与测试： 使用内核构建系统（Kbuild）编译此模块，生成 hello.ko。执行 sudo insmod hello.ko 加载，dmesg | tail 查看内核日志；执行 sudo rmmod hello 卸载，再次查看日志确认退出函数被调用。

2.5 常见错误与调试

加载失败： 使用 dmesg 查看内核日志，定位初始化函数返回的错误码。
卸载失败： 模块被其他模块或进程引用时无法卸载，使用 lsmod 查看引用计数。
许可证污染： 内核日志出现 module license 'unspecified' taints kernel，需添加 MODULE_LICENSE("GPL")。
符号未找到： 模块依赖的符号未导出或未加载，使用 modinfo 查看依赖，modprobe 自动处理。