3. 内核模块基础

Linux 内核是一个单体内核（Monolithic Kernel），但通过内核模块（Kernel Module）机制实现了动态扩展能力。模块是可以在运行时加载到内核或从内核卸载的代码片段，无需重新编译整个内核或重启系统。在 Android 内核驱动开发中，绝大多数设备驱动都以模块形式存在。

3.1 模块概念与生命周期

内核模块本质上是一个目标文件（.ko），包含初始化函数、清理函数以及可选的导出符号。模块的生命周期分为四个阶段：加载、初始化、运行、卸载。

3.2 模块加载与卸载

模块的加载和卸载通过用户空间工具触发，最终调用内核系统调用完成。最简模块必须包含两个宏：module_init() 和 module_exit()。

3.2.1 最小内核模块示例

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Android Kernel!\n");
    return 0;  // 0 表示初始化成功
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Android Kernel!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World module for Android");

3.2.2 加载与卸载命令

3.3 模块参数

模块参数允许在加载时向模块传递配置值，无需重新编译。使用 module_param() 宏声明参数，支持基本数据类型和字符串。

3.3.1 参数声明与使用

#include <linux/moduleparam.h>

static int debug_level = 0;
static char *device_name = "default_dev";

module_param(debug_level, int, 0644);
module_param(device_name, charp, 0644);

MODULE_PARM_DESC(debug_level, "Debug level (0-3)");
MODULE_PARM_DESC(device_name, "Device name string");

3.3.2 参数传递方式

• 命令行传递：insmod mydriver.ko debug_level=2 device_name="sensor0"
• modprobe 配置文件：在 /etc/modprobe.d/ 下创建 .conf 文件，写入 options mydriver debug_level=2
• sysfs 运行时修改：如果权限位包含写权限（如 0644），可通过 /sys/module/mydriver/parameters/debug_level 动态修改

3.4 模块依赖与符号导出

模块之间可以存在依赖关系：一个模块可能使用另一个模块导出的函数或变量。内核通过符号导出（Symbol Export）机制实现模块间的接口共享。

3.4.1 符号导出宏

3.4.2 导出与使用示例

导出模块（exporter.c）：

#include <linux/module.h>

int add_numbers(int a, int b)
{
    return a + b;
}
EXPORT_SYMBOL(add_numbers);

static int __init exporter_init(void)
{
    pr_info("Exporter module loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit exporter_exit(void)
{
    pr_info("Exporter module unloaded\n");
}

module_init(exporter_init);
module_exit(exporter_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

使用模块（importer.c）：

#include <linux/module.h>

extern int add_numbers(int a, int b);

static int __init importer_init(void)
{
    int result = add_numbers(10, 20);
    pr_info("Result from exporter: %d\n", result);
    return 0;
}

static void __exit importer_exit(void)
{
    pr_info("Importer module unloaded\n");
}

module_init(importer_init);
module_exit(importer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3.4.3 依赖管理

• 自动依赖解析：modprobe 读取 /lib/modules/$(uname -r)/modules.dep 文件，自动加载所有依赖模块
• 手动查看依赖：modinfo -F depends exporter.ko 显示依赖列表
• 引用计数：内核维护每个模块的引用计数（lsmod 的 Used by 列），计数不为 0 时无法卸载

3.5 模块编译与 Makefile

内核模块的编译依赖内核源码树中的 Kbuild 系统。标准的模块 Makefile 模板如下：

obj-m := hello.o

# 如果模块由多个源文件组成
# hello-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

3.6 本章小结