3. Linux内核模块编程基础：模块加载与卸载、模块参数传递、模块依赖与符号导出、printk调试技巧

内核模块，说白了就是一段可以在系统运行时动态加载进内核的代码。不用重新编译整个内核，不用重启机器，就能给内核加功能。我刚开始接触嵌入式Linux时，觉得这玩意儿特别神奇——一个.ko文件，insmod一下，系统就多了个驱动。后来自己写模块踩了不少坑，才慢慢摸清楚里面的门道。

3.1 模块的加载与卸载：Hello World背后的真相

先看一个最基础的模块代码。嗯，每个学内核模块的人都是从它开始的。

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

static int __init my_module_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel World!\n");
    return 0;
}

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

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple kernel module example");

这里有几个关键点，我当年第一次写的时候全忽略了：

• module_init和module_exit：这是宏，不是函数声明。它们告诉内核：加载时调用哪个函数，卸载时调用哪个函数。
• __init和__exit：这两个标记告诉内核，初始化函数和退出函数在完成后可以释放内存。我在项目中见过有人忘了加，结果模块占着内存不放。
• MODULE_LICENSE：不写这个，内核会报“tainted kernel”警告。我曾经因为漏了这一行，被同事追着问“你的模块是不是闭源的？”

编译生成.ko文件后，操作很简单：

操作	命令	说明
加载模块	insmod my_module.ko	直接插入内核
查看已加载模块	lsmod	列出所有模块及其依赖
卸载模块	rmmod my_module	从内核移除
查看模块信息	modinfo my_module.ko	显示作者、描述、参数等

3.2 模块参数传递：让模块更灵活

写死的模块没什么用。你想想看，一个驱动要支持不同硬件、不同配置，总不能每次都改源码重新编译吧？

内核提供了module_param宏，让我们可以在加载时传参数：

#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");

static int __init my_module_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Debug level: %d\n", debug_level);
    printk(KERN_INFO "Device name: %s\n", device_name);
    return 0;
}

加载时传参：

insmod my_module.ko debug_level=2 device_name="my_uart"

参数类型支持：

类型宏	C类型	说明
module_param(name, int, perm)	int	整型参数
module_param(name, charp, perm)	char *	字符串指针
module_param(name, bool, perm)	bool	布尔值（y/n, 1/0）
module_param_array(name, type, num, perm)	数组	数组参数，num返回元素个数

那个perm参数是文件权限，如果设为0，参数就不会出现在/sys/module/下。我个人习惯设成0644，这样可以在运行时通过sysfs查看和修改。

3.3 模块依赖与符号导出：模块之间怎么协作

一个模块可能需要另一个模块提供的函数。比如你的字符设备驱动要用到某个核心模块的辅助函数。这时候就需要符号导出。

先看导出方：

// 在模块A中
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

int my_helper_function(int data)
{
    return data * 2;
}
EXPORT_SYMBOL(my_helper_function);

// 也可以导出GPL-only的符号
void my_gpl_function(void)
{
    printk(KERN_INFO "This is GPL-only\n");
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(my_gpl_function);

再看使用方：

// 在模块B中
extern int my_helper_function(int data);

static int __init module_b_init(void)
{
    int result = my_helper_function(10);
    printk(KERN_INFO "Result: %d\n", result);
    return 0;
}

加载顺序很重要。必须先加载模块A，再加载模块B。否则B会报“Unknown symbol”错误。

我曾经在一个项目中，两个模块互相依赖，结果加载时死锁了。后来改成单向依赖，才解决问题。记住：内核模块不允许循环依赖。

3.4 printk调试技巧：内核里的printf

printk是内核模块最常用的调试手段。它和用户空间的printf很像，但有几个关键区别。

先看日志级别：

宏	数值	含义	使用场景
KERN_EMERG	0	紧急消息	系统崩溃前
KERN_ALERT	1	需要立即处理	严重错误
KERN_CRIT	2	临界条件	硬件故障
KERN_ERR	3	错误条件	驱动错误
KERN_WARNING	4	警告	非致命问题
KERN_NOTICE	5	正常但重要	启动信息
KERN_INFO	6	信息	一般调试
KERN_DEBUG	7	调试信息	开发阶段

使用方式：

printk(KERN_ERR "DMA transfer failed, status: 0x%x\n", status);
printk(KERN_DEBUG "Entering interrupt handler, irq=%d\n", irq);

查看日志：

• dmesg：查看内核环形缓冲区
• dmesg -w：实时跟踪新日志
• cat /proc/kmsg：直接读取内核消息（需要root）
• dmesg -n 3：只显示级别≤3的消息（KERN_ERR及以上）

几个实用技巧：

• 动态控制日志级别：通过/proc/sys/kernel/printk文件，可以运行时调整控制台日志级别
• printk_ratelimited：限制打印频率，防止刷屏
• pr_devel/pr_debug：只在DEBUG配置下生效，上线后自动消失
• hex_dump：打印二进制数据，调试协议栈时特别好用

// 限制频率的printk
if (printk_ratelimit()) {
    printk(KERN_WARNING "Too many interrupts!\n");
}

// 打印二进制数据
print_hex_dump(KERN_DEBUG, "rx_data: ", DUMP_PREFIX_OFFSET,
               16, 1, buffer, len, true);

3.5 本章知识体系

下面这张图把模块编程的核心流程串起来了：

这张图把模块从加载到卸载的完整生命周期画清楚了。你写模块时，脑子里要有这个流程：加载时传了什么参数？依赖的符号有没有先加载？初始化成功了吗？卸载时资源释放干净了吗？每一步都可能出问题。