内核模块编程：从设备驱动到Netfilter规则编写 - 第1节

1.1 内核模块概念

Linux 内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）是一段可以在运行时动态加载到内核或从内核卸载的代码。它允许在不重新编译整个内核、不重启系统的情况下扩展内核功能。模块机制是 Linux 内核可扩展性和动态性的核心体现。

模块的本质

• 目标文件： 模块本质上是一个经过编译但未链接的 .ko（Kernel Object）文件。
• 内核空间执行： 模块代码运行在内核空间，拥有最高特权级（Ring 0）。
• 符号导出： 模块可以导出符号供其他模块使用，也可以使用内核或其他模块导出的符号。
• 无独立地址空间： 模块直接映射到内核地址空间，共享内核的全局数据。

1.2 模块与应用程序的区别

内核模块虽然也是“程序”，但与用户空间的应用程序有着本质区别。理解这些差异是编写安全、稳定模块的前提。

关键差异详解

• 无标准库： 模块只能使用内核导出的 API，如 printk（替代 printf）、kmalloc（替代 malloc）、copy_from_user（替代 memcpy 从用户空间拷贝）。
• 无 main 函数： 模块通过 module_init 宏指定初始化函数，通过 module_exit 宏指定清理函数。
• 无独立进程： 模块没有自己的进程上下文，它运行在调用它的进程上下文中（如系统调用）或中断上下文中。

1.3 模块生命周期：init / exit

每个内核模块都有明确的生命周期，由两个核心函数控制：初始化函数和清理函数。理解这个生命周期是模块编程的第一步。

初始化函数（module_init）

当使用 insmod 或 modprobe 加载模块时，内核会执行由 module_init 宏指定的函数。该函数负责模块的初始化工作。

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

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

module_init(my_module_init);

清理函数（module_exit）

当使用 rmmod 卸载模块时，内核会执行由 module_exit 宏指定的函数。该函数负责释放模块占用的所有资源。

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

module_exit(my_module_exit);

模块许可证与描述信息

每个模块还应包含许可证声明和描述信息，这是内核社区的要求，也是模块能够使用某些内核符号的前提。

MODULE_LICENSE("GPL");              // 必须声明，否则内核会标记为“污染”
MODULE_AUTHOR("Your Name <email@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

完整的最小模块示例

将以上代码组合，就构成了一个完整的内核模块：

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello: module loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello: module unloaded\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Kernel Expert <kernel@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("A minimal Hello World kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

模块的 Makefile

编译内核模块需要特定的 Makefile 结构，利用内核的构建系统（Kbuild）：

obj-m += hello.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

模块状态查看

使用 lsmod 命令可以查看当前系统中已加载的所有模块及其依赖关系：

$ lsmod
Module                  Size  Used by
hello                  16384  0
ext4                  692224  1
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