📚 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（Loadable Kernel Module，LKM）是可以在系统运行期间动态插入或移出内核的二进制代码。它让驱动开发者无需重新编译整个内核、也无需重启系统，就能验证字符设备、平台设备等驱动逻辑。本节围绕模块生命周期、参数传递、符号导出、日志调试与构建脚本五个关键点展开，为后续字符设备与平台驱动开发打下工程基础。

一、模块的加载与卸载：生命周期入口

每个内核模块都必须提供初始化入口和退出入口。初始化函数在 insmod 或 modprobe 时被调用，负责注册设备号、申请资源、创建类或注册平台驱动；退出函数在 rmmod 时被调用，负责逆序释放资源。二者通过宏 module_init() 与 module_exit() 注册，并配合 MODULE_LICENSE() 声明许可证，否则内核会标记为污染（tainted）。

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

static int __init demo_init(void)
{
    pr_info("demo: module init\n");
    return 0;              /* 返回 0 表示加载成功 */
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    pr_info("demo: module exit\n");
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("driver-lab");
MODULE_DESCRIPTION("kernel module lifecycle demo");

加载与卸载的常用命令如下：

sudo insmod demo.ko          # 加载模块
lsmod | grep demo            # 查看已加载模块
sudo rmmod demo              # 卸载模块
modinfo demo.ko              # 查看模块元信息
dmesg | tail -20             # 查看内核日志

初始化函数应返回 int，成功返回 0，失败返回负的 errno（如 -ENOMEM、-EBUSY）。退出函数返回 void，且必须与初始化过程严格对称，避免资源泄漏。

二、模块参数：让驱动可配置

模块参数允许在加载时向模块传递配置值，常用于指定主设备号、缓冲区大小、调试开关等。内核提供 module_param()、module_param_named()、module_param_array() 等宏，并通过 MODULE_PARM_DESC() 添加说明。参数类型支持 int、uint、long、charp、bool 等。

static int major = 0;              /* 0 表示动态分配 */
static int buf_size = 256;
static char *dev_name = "mychar";
static bool debug_en = false;

module_param(major, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(major, "major device number, 0 for dynamic");
module_param(buf_size, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(buf_size, "ring buffer size in bytes");
module_param(dev_name, charp, 0644);
module_param(debug_en, bool, 0644);

加载时传参方式为 insmod demo.ko major=240 buf_size=512 debug_en=1。权限位 0644 决定参数是否在 /sys/module/demo/parameters/ 下可读写，便于运行时查看与调整。

三、符号导出：模块之间的依赖

当模块 A 需要调用模块 B 中的函数或变量时，B 必须使用 EXPORT_SYMBOL() 或 EXPORT_SYMBOL_GPL() 导出符号。前者对所有模块开放，后者仅允许 GPL 兼容模块使用。导出后，A 在编译时通过 KBUILD_EXTRA_SYMBOLS 或先加载 B 再加载 A 的方式解析符号。

/* provider.c：导出符号 */
int calc_checksum(const char *buf, int len)
{
    int sum = 0;
    while (len--)
        sum += *buf++;
    return sum;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(calc_checksum);

/* consumer.c：使用符号 */
extern int calc_checksum(const char *buf, int len);

符号导出会扩大内核接口面，应尽量使用 EXPORT_SYMBOL_GPL 并保持接口稳定。若卸载 provider 时 consumer 仍在使用，内核会拒绝卸载并提示 Module provider is in use。

四、printk 调试：内核日志分级与输出

printk() 是内核最基础的日志输出手段，其级别由 KERN_* 宏控制，数值越小优先级越高。常用级别包括 KERN_EMERG、KERN_ALERT、KERN_CRIT、KERN_ERR、KERN_WARNING、KERN_NOTICE、KERN_INFO、KERN_DEBUG。现代内核推荐使用 pr_info()、pr_err()、dev_info() 等封装宏。

pr_info("demo: major=%d, buf_size=%d\n", major, buf_size);
pr_err("demo: register_chrdev failed, ret=%d\n", ret);
dev_dbg(&pdev->dev, "probe enter, irq=%d\n", irq);

日志可通过 dmesg -w 实时观察，也可用 dmesg -T 显示时间戳。若输出过多，可调整 /proc/sys/kernel/printk 中的控制台日志级别，或使用 dynamic_debug 按文件、函数、行号精细开关调试信息。

五、Makefile 编写：模块构建规则

内核模块使用 Kbuild 体系构建，Makefile 需指定目标对象与内核源码路径。若模块由多个源文件组成，使用 obj-m += demo.o 与 demo-objs := a.o b.o 组合。

obj-m += demo.o
# demo-objs := main.o helper.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD  := $(shell pwd)

all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

install:
	sudo insmod demo.ko
uninstall:
	sudo rmmod demo

执行 make 后生成 demo.ko，同时产生 .mod.c、.mod.o、Module.symvers 等中间文件。交叉编译时只需替换 KDIR 为对应架构的内核构建目录，并指定 ARCH 与 CROSS_COMPILE。

六、关键要点对照表

主题	核心接口/命令	典型用途	常见误区
加载/卸载	`module_init/exit`、`insmod/rmmod`	注册与释放资源	退出函数未逆序释放，导致泄漏
模块参数	`module_param`、`MODULE_PARM_DESC`	加载时配置主设备号、缓冲区	权限位设置不当，sysfs 不可读
符号导出	`EXPORT_SYMBOL_GPL`	模块间函数复用	滥用导出，破坏内核封装
printk 调试	`pr_info`、`dev_dbg`、`dmesg`	定位 probe、中断、寄存器问题	日志级别过高，刷屏影响性能
Makefile	`obj-m`、`M=$(PWD)`	编译生成 .ko	内核路径错误或未清理中间文件

七、案例与复盘：一个可调试的模块骨架

下面给出一个综合示例：模块加载时打印参数，导出校验函数，卸载时清理。通过 dmesg 可观察完整生命周期。

static int __init demo_init(void)
{
    pr_info("demo: init, major=%d, buf_size=%d, name=%s\n",
            major, buf_size, dev_name);
    return 0;
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    pr_info("demo: exit\n");
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

复盘时重点关注三点：第一，加载失败时是否返回了正确的负 errno，便于 insmod 给出可读错误；第二，参数是否在 /sys/module/demo/parameters/ 下可见；第三，卸载后 lsmod 是否已无该模块，且 dmesg 中 init/exit 成对出现。掌握这些基础后，后续字符设备与平台驱动的注册、probe、remove 流程才能稳定落地。