2、第一个内核模块：Hello World模块编写、Makefile编写、模块编译与加载（insmod/rmmod）、查看模块信息（lsmod/modinfo）

说实话，学内核开发最怕什么？就是环境还没搭好，先被一堆概念砸晕了。

所以我个人习惯，第一件事就是先让代码跑起来。哪怕只是打印一句 "Hello World"，也能让你对整个流程有个直观感受。今天我们就来干这件事。

2.1 内核模块的骨架

内核模块和用户态程序不一样。它没有 main 函数。它的入口和出口是固定的两个宏：module_init 和 module_exit。

来看一个最简的模块代码。我把它命名为 hello.c：

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

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

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

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

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

这里有几个关键点，我当年第一次写的时候踩过坑：

  • printk 不是 printf。它没有格式化占位符的检查，写错了也不会报编译警告，但运行时会直接崩。嗯，这个我吃过亏。
  • KERN_INFO 是日志级别。不加的话，默认级别可能不会显示在终端上。
  • __init 和 __exit 是内核的优化标记。加了 __init 的函数，在模块加载完成后会被内核自动释放掉，省内存。
  • MODULE_LICENSE 必须写。不写的话，内核会报 "tainted" 警告，而且某些内核功能（比如一些 GPL-only 的符号）你就用不了。
小技巧： 我习惯在 printk 里加上模块名前缀，比如 "hello: loaded"。这样 dmesg 里一搜就能定位到自己的日志，不会跟内核其他日志混在一起。

2.2 Makefile 怎么写？

内核模块的编译不靠 gcc 直接编译。你得用内核的构建系统——Kbuild。说白了，就是让内核源码树里的 Makefile 来帮你编译。

下面这个 Makefile 是我一直在用的模板，几乎每个模块项目我都从它开始改：

obj-m := hello.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

解释一下这几行的意思：

  • obj-m := hello.o：告诉 Kbuild，我要编译一个名为 hello.ko 的模块。注意这里写的是 .o，但生成的是 .ko。
  • KDIR：指向当前运行内核的构建目录。这个目录包含了编译模块所需的所有头文件和 Makefile 片段。
  • -C $(KDIR)：切换到内核源码目录去执行 make。
  • M=$(PWD)：告诉内核 Makefile，我的模块源码在当前目录。
注意： 如果你自己编译了内核，KDIR 要指向你编译好的内核源码树，而不是 /lib/modules/$(uname -r)/build。否则加载时会报 "Invalid module format" 错误。我曾经在交叉编译环境上折腾了一下午，才发现是 KDIR 指错了。

2.3 编译与加载

在终端里执行 make，你会看到类似这样的输出：

make -C /lib/modules/5.15.0-91-generic/build M=/home/user/hello modules
  CC [M]  /home/user/hello/hello.o
  MODPOST /home/user/hello/Module.symvers
  CC [M]  /home/user/hello/hello.mod.o
  LD [M]  /home/user/hello/hello.ko

编译成功后，目录下会多出 hello.ko 文件。这就是我们要的内核模块。

加载和卸载的命令很简单：

操作 命令 说明
加载模块 sudo insmod hello.ko 需要 root 权限。insmod 是 "insert module" 的缩写。
卸载模块 sudo rmmod hello 注意这里写的是模块名 hello，不是文件名 hello.ko。
查看加载日志 dmesg | tail printk 的输出会写到内核日志缓冲区。

加载后，用 dmesg | tail 你应该能看到：

[ 1234.567890] Hello, Kernel World!

卸载后再看：

[ 1235.678901] Goodbye, Kernel World!
为什么用 insmod 而不是 modprobe？ 因为 insmod 简单直接，只加载你指定的模块文件，不处理依赖。modprobe 会自动解决依赖关系，但需要先把模块安装到标准路径下。开发阶段用 insmod 更顺手。

2.4 查看模块信息

模块加载后，怎么确认它真的在运行？两个命令就够了。

lsmod：列出当前加载的模块

lsmod 实际上就是读取 /proc/modules 文件的内容。输出格式如下：

Module                  Size  Used by
hello                  16384  0
...
  • Module：模块名。
  • Size：模块占用的内存大小（字节）。
  • Used by：被多少个其他模块引用。0 表示当前没有被使用。

modinfo：查看模块的详细信息

这个命令读取的是模块文件里的 .modinfo 段。即使模块没加载，也能查看：

$ modinfo hello.ko
filename:       /home/user/hello/hello.ko
license:        GPL
author:         Your Name
description:    A simple Hello World kernel module
depends:        
retpoline:      Y
name:           hello
vermagic:       5.15.0-91-generic SMP mod_unload modversions

这里有个字段值得注意：vermagic。它记录了编译时内核的版本和配置。如果加载时内核版本不匹配，insmod 会直接拒绝加载，并报 "Invalid module format"。这是内核的一种保护机制。

2.5 知识结构图

下面这张图把整个流程串起来了。从源码到加载运行，每一步都对应一个文件或命令：

内核模块编译加载全流程 hello.c 模块源码 Makefile Kbuild 构建规则 make 调用 Kbuild 编译 hello.ko 内核模块文件 insmod hello.ko 加载到内核 rmmod hello 从内核卸载 lsmod / modinfo dmesg 查看日志

2.6 避坑指南

最后，把我这些年遇到过的几个典型问题列出来，你碰到了可以直接对照：

错误现象 原因 解决办法
Invalid module format 模块编译时的内核版本与当前运行内核不一致 检查 KDIR 是否指向正确的内核源码树
Required key not available 内核启用了模块签名验证 编译内核时关闭 CONFIG_MODULE_SIG，或给模块签名
Unknown symbol 模块引用了未导出的内核符号 检查是否缺少 EXPORT_SYMBOL，或依赖的模块未加载
rmmod: ERROR: Module hello is in use 有其他模块或进程正在引用该模块 用 lsmod 查看 Used by 列，先卸载依赖它的模块
我曾经遇到过一个问题： 在 Ubuntu 上编译好的模块，放到 CentOS 上加载，报 "Invalid module format"。查了半天发现是内核的 CONFIG_PREEMPT 配置不一样。vermagic 里会记录这些配置，差一点都不行。所以，模块一定要在目标机器上编译，或者用相同的内核配置交叉编译。

好了，到这里你已经亲手写了一个内核模块，并且成功加载和卸载了它。虽然只是打印了两行日志，但整个流程——编写、编译、加载、查看、卸载——你已经全部走通了。后面所有的模块开发，都是在这个基础上加功能而已。

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