3. 第一个字符设备驱动

在 Linux 内核中，字符设备驱动通常以内核模块的形式存在。模块是内核在运行时可以动态加载和卸载的一段代码，无需重新编译整个内核或重启系统。本章将带领你编写第一个完整的字符设备驱动模块，重点掌握模块的加载/卸载机制、入口/出口函数声明以及模块信息的规范填写。

3.1 内核模块的基本结构

一个最简单的内核模块至少包含两个核心函数：模块初始化函数（在模块加载时执行）和模块清理函数（在模块卸载时执行）。这两个函数通过特定的宏与内核框架绑定。

宏 / 函数 作用 执行时机
module_init() 指定模块加载时调用的入口函数 insmod 或内核自动加载时
module_exit() 指定模块卸载时调用的出口函数 rmmod 或内核自动卸载时
__init 标记 将函数放入 .init.text 段，加载完成后释放内存 仅初始化阶段
__exit 标记 将函数放入 .exit.text 段，模块编译进内核时忽略 仅卸载阶段
关键概念： module_init() 和 module_exit() 是宏定义，它们将函数指针注册到内核模块表中。内核在加载模块时会查找 module_init 指定的函数地址并执行；卸载时则执行 module_exit 指定的函数。

3.2 第一个模块代码：hello_module

下面是一个完整的字符设备驱动模块框架，它不操作硬件，仅演示模块的加载与卸载流程。

#include <linux/module.h>      // 包含 module_init / module_exit 宏
#include <linux/kernel.h>      // 包含 printk 等内核打印函数
#include <linux/init.h>        // 包含 __init / __exit 标记

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, char device module loaded!\n");
    return 0;   // 返回 0 表示初始化成功
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, char device module unloaded!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name <your.email@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device module example");
MODULE_VERSION("1.0");
代码要点：
  • __init 和 __exit 标记帮助内核优化内存布局，非强制但推荐使用。
  • printk 是内核空间的打印函数，KERN_INFO 指定日志级别。
  • 初始化函数返回 0 表示成功，返回负数表示失败，模块将无法加载。
  • 清理函数返回类型为 void，不允许失败。

3.3 模块信息与 LICENSE 规范

每个内核模块必须声明许可证信息，否则内核会认为该模块是“污染”的，加载时打印警告。常用的模块信息宏如下：

宏 含义 示例值
MODULE_LICENSE() 声明模块许可证 "GPL", "GPL v2", "BSD", "Proprietary"
MODULE_AUTHOR() 作者信息 "Zhang San <zhangsan@example.com>"
MODULE_DESCRIPTION() 模块功能简述 "A simple char driver"
MODULE_VERSION() 模块版本号 "1.0"
MODULE_ALIAS() 模块别名（用于自动加载） "char-device-example"
许可证警告： 如果模块使用非 GPL 兼容许可证（如 "Proprietary"），内核将禁止调用标记为 EXPORT_SYMBOL_GPL 的符号。对于字符设备驱动开发，强烈建议使用 "GPL" 或 "GPL v2"。

3.4 模块加载与卸载流程

下图展示了从用户空间执行 insmod 和 rmmod 命令时，内核模块的生命周期变化：

模块加载与卸载流程 insmod hello.ko rmmod hello 内核模块加载器 模块生命周期状态机 UNLOADED LOADING ACTIVE UNLOADING module_init 成功 rmmod module_exit 执行完毕 失败
流程说明：
  1. UNLOADED → LOADING： 执行 insmod 后，内核加载器将模块二进制插入内存，调用 module_init 指定的函数。
  2. LOADING → ACTIVE： 初始化函数返回 0，模块进入活跃状态，可以被用户空间访问。
  3. LOADING → UNLOADED： 初始化函数返回负数，模块自动卸载，回到未加载状态。
  4. ACTIVE → UNLOADING： 执行 rmmod，内核调用 module_exit 指定的函数。
  5. UNLOADING → UNLOADED： 清理函数执行完毕，模块从内核中移除。

3.5 编译与测试

使用 Makefile 编译内核模块是标准做法。以下是一个适用于本示例的 Makefile：

obj-m := hello_module.o

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

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

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

编译完成后，执行以下命令验证模块行为：

# 加载模块
sudo insmod hello_module.ko

# 查看内核日志，确认加载信息
dmesg | tail -5
# 输出示例: [ 1234.5678] Hello, char device module loaded!

# 查看已加载模块列表
lsmod | grep hello_module

# 卸载模块
sudo rmmod hello_module

# 再次查看内核日志，确认卸载信息
dmesg | tail -5
# 输出示例: [ 1234.9876] Goodbye, char device module unloaded!
常见问题排查：
  • insmod: ERROR: could not insert module: Operation not permitted → 需要使用 sudo 或以 root 身份执行。
  • insmod: ERROR: could not insert module: Invalid module format → 内核版本或配置不匹配，重新编译模块。
  • rmmod: ERROR: Module hello_module is in use → 有其他进程正在使用该模块，先关闭相关应用。
  • dmesg 无输出 → 检查 printk 日志级别，或使用 dmesg -w 实时监控。

3.6 模块加载/卸载的完整时序

下表总结了模块从加载到卸载过程中，内核与模块函数之间的交互时序：

步骤 用户操作 内核行为 模块函数
1 insmod hello.ko 读取 ELF 文件，分配内核内存 —
2 — 解析模块依赖，解决符号引用 —
3 — 调用 module_init 注册的函数 hello_init()
4 — 检查返回值：0 成功，负数回滚 返回 0
5 — 模块加入内核模块链表 —
6 rmmod hello 检查模块引用计数是否为 0 —
7 — 调用 module_exit 注册的函数 hello_exit()
8 — 释放模块占用的内核内存 —
引用计数机制： 内核通过 try_module_get() 和 module_put() 维护模块的引用计数。只有当引用计数为 0 时，rmmod 才能成功卸载模块。在后续章节中，当设备文件被打开时，驱动需要主动增加引用计数以防止模块被意外卸载。

3.7 本章小结

通过本章的学习，你已经掌握了 Linux 内核模块的基本骨架：

  • 使用 module_init() 和 module_exit() 注册模块的入口和出口函数。
  • 使用 __init 和 __exit 标记优化内存布局。
  • 规范填写 MODULE_LICENSE、MODULE_AUTHOR 等模块信息。
  • 理解模块从加载到卸载的完整生命周期状态机。
  • 能够编写 Makefile 并编译、加载、卸载一个真实的内核模块。
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