2. Linux内核模块基础：模块的编写、编译、加载与卸载

Linux内核模块（Loadable Kernel Module, LKM）是Linux内核动态扩展能力的核心机制。它允许开发者在不重新编译整个内核、不重启系统的情况下，向内核动态添加或移除功能。对于平台设备驱动开发者而言，掌握模块的编写、编译、加载与卸载是进入内核驱动开发的第一步。

2.1 内核模块的基本结构

一个标准的内核模块至少包含两个关键入口点：模块初始化和模块退出。这两个入口点通过module_init()和module_exit()宏向内核注册。

2.1.1 最小内核模块示例

#include <linux/module.h>      // 所有模块都需要
#include <linux/kernel.h>      // printk() 等内核打印函数
#include <linux/init.h>        // __init, __exit 宏

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

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

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");              // 许可证声明
MODULE_AUTHOR("Your Name");         // 作者信息
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World module");  // 模块描述
MODULE_VERSION("1.0");              // 版本号

2.1.2 模块组成要素

2.2 module_init / module_exit 机制深度解析

module_init()和module_exit()是内核模块框架的核心宏。它们将开发者定义的函数指针注册到内核的模块管理链表中，使得内核在加载/卸载模块时能够正确调用对应的处理函数。

2.3 内核模块的编译

内核模块的编译不能使用普通的gcc命令，必须借助内核的Kbuild构建系统。Kbuild系统会使用内核源码树中的Makefile规则来编译模块，确保模块与当前运行内核的ABI兼容。

2.3.1 Makefile编写

# Makefile for hello kernel module

# 模块目标名称
obj-m := hello.o

# 如果模块由多个源文件组成，使用如下语法：
# hello-objs := file1.o file2.o

# 内核源码树路径（根据实际环境修改）
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

# 当前目录
PWD := $(shell pwd)

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

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

2.3.2 编译命令执行

$ make
make -C /lib/modules/5.15.0-91-generic/build M=/home/user/hello modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-5.15.0-91-generic'
  CC [M]  /home/user/hello/hello.o
  MODPOST /home/user/hello/Module.symvers
  LD [M]  /home/user/hello/hello.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-5.15.0-91-generic'

2.4 模块的加载与卸载

Linux提供了两组工具用于管理内核模块：insmod/rmmod（基础工具）和modprobe/modprobe -r（高级工具，支持依赖解析）。

2.4.1 加载模块

2.4.2 卸载模块

2.4.3 查看模块信息

# 查看已加载模块列表
$ lsmod

# 查看模块详细信息
$ modinfo hello.ko
filename:       /home/user/hello/hello.ko
license:        GPL
author:         Your Name
description:    A simple Hello World module
version:        1.0
depends:
name:           hello
vermagic:       5.15.0-91-generic SMP mod_unload modversions

2.5 模块加载与卸载的完整流程

2.6 模块参数传递

内核模块支持在加载时通过命令行传递参数，使用module_param()宏声明。

#include <linux/moduleparam.h>

static int count = 1;
static char *name = "default";

module_param(count, int, 0644);          // 参数名, 类型, 权限
module_param(name, charp, 0644);         // charp = char pointer

MODULE_PARM_DESC(count, "Number of times to print");
MODULE_PARM_DESC(name, "Name to display");

static int __init param_init(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < count; i++)
        printk(KERN_INFO "Hello %s!\n", name);
    return 0;
}

# 加载时传递参数
$ insmod hello.ko count=3 name="DriverDev"

# 查看/sys中的参数
$ cat /sys/module/hello/parameters/count
3
$ cat /sys/module/hello/parameters/name
DriverDev

2.7 常见问题与调试技巧

• 模块加载失败：使用dmesg查看内核日志，定位具体错误原因（如符号未定义、版本不匹配等）。
• 模块卸载失败（EBUSY）：表示模块正在被使用，使用lsmod | grep <module>查看引用计数。
• 内核污染（Tainted）：未声明GPL许可证或使用了专有符号，内核会标记为污染，影响调试支持。
• 版本魔术字不匹配：模块编译时的内核版本与运行内核版本不一致，需重新编译。

2.8 本章小结