📚 课程目录第2章 Linux内核模块基础

2. Linux内核模块基础：模块概念、模块加载与卸载、模块参数、模块依赖、模块许可证

2.1 内核模块概念

Linux内核采用单内核+模块化架构。内核本身是一个完整的静态二进制文件，但通过内核模块（Kernel Module）机制，可以在运行时动态地向内核添加或移除功能，无需重新编译整个内核或重启系统。

内核模块本质上是一段目标代码（.ko 文件），它被设计为在内核空间运行，可以访问内核的符号、函数和数据结构。常见的模块包括设备驱动、文件系统、网络协议、系统调用扩展等。

  核心优势：动态扩展、按需加载、减小内核体积、便于开发和调试。

类比理解：内核就像操作系统的主板，模块就像可插拔的扩展卡（显卡、网卡）。需要时插入（insmod），不需要时拔出（rmmod），主板本身始终运行。

2.2 模块加载与卸载

内核模块的生命周期由一组用户空间工具和内核系统调用共同管理。核心操作包括加载、查看、卸载和查询模块信息。

2.2.1 常用命令

命令	功能	典型用法
insmod	加载模块（不自动解析依赖）	`insmod hello.ko`
rmmod	卸载模块	`rmmod hello`
modprobe	智能加载/卸载（自动处理依赖）	`modprobe hello`
lsmod	列出当前已加载的所有模块	`lsmod`
modinfo	查看模块详细信息	`modinfo hello.ko`

2.2.2 模块的入口与出口

每个内核模块必须定义两个宏：module_init() 和 module_exit()，分别指定模块加载和卸载时调用的函数。

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel Module loaded!\n");
    return 0;  // 0 表示成功，负数表示失败
}

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

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Linux Expert");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world module");

注意：__init 和 __exit 标记告诉内核：初始化函数在完成后可以释放内存；出口函数在模块被内置（非模块化）时可以忽略。这有助于优化内存占用。

2.3 模块参数

内核模块支持在加载时传递参数，使得同一份模块代码可以适应不同的硬件配置或运行模式。参数通过 module_param() 宏声明。

2.3.1 参数声明语法

#include <linux/moduleparam.h>

static int irq = 10;
static char *name = "default_dev";
static int debug = 0;

module_param(irq, int, 0644);
module_param(name, charp, 0644);
module_param(debug, int, 0644);

MODULE_PARM_DESC(irq, "IRQ number for the device");
MODULE_PARM_DESC(name, "Device name string");
MODULE_PARM_DESC(debug, "Enable debug output (0/1)");

2.3.2 参数传递方式

方式	示例	说明
insmod 传参	`insmod mydrv.ko irq=33 name="eth1" debug=1`	直接跟在 .ko 文件后，键值对形式
modprobe 传参	`modprobe mydrv irq=33 name="eth1"`	自动处理依赖，参数语法相同
配置文件	`/etc/modprobe.d/mydrv.conf`	写入 `options mydrv irq=33`，系统启动时自动应用

参数权限位：module_param 的第三个参数是 sysfs 文件权限（如 0644）。设为 0 表示不在 sysfs 中暴露该参数；设为非 0 值（如 0644）则可在运行时通过 /sys/module/<模块名>/parameters/ 查看或修改。

2.4 模块依赖

模块之间可能存在符号依赖关系：模块 A 使用了模块 B 导出的函数或变量。内核通过 符号导出（EXPORT_SYMBOL） 和 模块间依赖跟踪 来管理这种关系。

2.4.1 符号导出

// 模块 B：导出符号
#include <linux/module.h>

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

// 模块 A：使用导出的符号
extern int my_add(int a, int b);

static int __init a_init(void)
{
    int result = my_add(3, 5);
    printk("Result: %d\n", result);
    return 0;
}

2.4.2 依赖管理

工具/机制	作用
depmod	扫描所有模块，生成 `modules.dep` 依赖关系文件
modprobe	读取 `modules.dep`，自动加载所有依赖模块
lsmod	显示模块间的依赖关系（Used by 列）
modinfo - depends	查看模块的直接依赖列表

依赖加载顺序：使用 insmod 加载模块 A 时，如果 A 依赖 B，必须先手动加载 B。而 modprobe 会自动先加载 B 再加载 A。卸载时顺序相反：先卸载 A，再卸载 B。

2.5 模块许可证

Linux 内核使用 GNU General Public License v2 (GPLv2) 作为许可证。内核模块必须声明其许可证，以表明模块是否符合内核的许可要求。

2.5.1 许可证声明

MODULE_LICENSE("GPL");               // 最常用，完全兼容 GPL
MODULE_LICENSE("GPL v2");            // 明确 GPL v2 版本
MODULE_LICENSE("GPL and additional rights");  // GPL + 额外权利
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");      // 双许可证
MODULE_LICENSE("Dual MPL/GPL");      // 双许可证
MODULE_LICENSE("Proprietary");       // 专有/闭源模块

2.5.2 许可证对符号可见性的影响

内核使用 EXPORT_SYMBOL_GPL() 宏导出的符号，只有声明为 GPL 兼容许可证的模块才能使用。这保护了内核核心代码不被闭源模块直接调用。

导出宏	可用模块	典型用途
EXPORT_SYMBOL()	所有模块（包括 Proprietary）	通用接口，如内存分配、打印函数
EXPORT_SYMBOL_GPL()	仅 GPL 兼容模块	核心内部接口，如文件系统、调度器

  最佳实践：嵌入式 Linux 驱动开发中，强烈建议使用 MODULE_LICENSE("GPL")。这不仅符合内核社区规范，还能确保模块可以访问所有内核符号，避免因许可证不兼容导致的链接失败或内核污染警告。

2.6 本章小结

内核模块是 Linux 动态扩展机制的核心，允许在不重启系统的情况下添加驱动和功能。
加载与卸载通过 insmod/rmmod/modprobe 管理，模块必须实现 module_init() 和 module_exit()。
模块参数使用 module_param() 声明，支持在加载时或通过 sysfs 动态配置。
模块依赖通过 EXPORT_SYMBOL 和 depmod 管理，modprobe 自动处理依赖顺序。
模块许可证必须使用 MODULE_LICENSE() 声明，GPL 兼容模块才能使用 EXPORT_SYMBOL_GPL 导出的符号。