📚 课程目录第2章 Linux内核模块编程基础

2. Linux内核模块编程基础：模块初始化/退出函数、module_init/module_exit宏、模块参数与许可证

Linux内核模块是动态加载到内核中的代码片段，无需重新编译整个内核即可扩展功能。理解模块编程基础是编写设备驱动的第一步。本节将深入剖析模块的生命周期、关键宏定义、参数传递机制以及许可证声明规范。

2.1 模块生命周期与核心函数

每个内核模块都有明确的加载和卸载阶段，分别由初始化函数和退出函数处理。这两个函数通过特定的宏注册到内核模块框架中。

  关键概念：模块初始化函数在模块加载时执行一次，用于分配资源、注册设备、初始化数据结构；模块退出函数在模块卸载时执行，负责释放资源、注销设备、清理现场。

2.1.1 模块初始化函数

初始化函数是模块的入口点，通常命名为 xxx_init 或 xxx_module_init。函数原型必须返回 int 类型，成功返回 0，失败返回负的错误码。

static int __init my_driver_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "My driver loaded successfully.\n");
    /* 在此处进行硬件初始化、注册设备等操作 */
    return 0;
}

关键字 __init 是一个编译器属性宏，告诉内核该函数仅在初始化阶段使用，初始化完成后可以释放其占用的内存。

2.1.2 模块退出函数

退出函数负责撤销初始化函数所做的一切。函数原型返回 void，通常命名为 xxx_exit 或 xxx_module_exit。

static void __exit my_driver_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "My driver unloaded.\n");
    /* 在此处释放资源、注销设备等操作 */
}

关键字 __exit 与 __init 对应，如果模块被编译进内核（非动态加载），该函数会被丢弃以节省内存。

2.1.3 module_init / module_exit 宏

这两个宏是模块与内核模块加载器之间的桥梁。它们将初始化函数和退出函数的地址注册到内核的模块表中。

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

编程规范：module_init 和 module_exit 必须放在源文件的末尾，紧跟在所有函数定义之后。它们不接收参数，只接收函数名。

下表总结了初始化与退出函数的对比：

特性	初始化函数	退出函数
执行时机	模块加载时（insmod）	模块卸载时（rmmod）
返回值	int（0成功，负值失败）	void
关键字	__init	__exit
注册宏	module_init()	module_exit()
主要职责	资源分配、设备注册	资源释放、设备注销

2.2 模块加载/卸载流程 SVG 图

下图展示了从用户空间执行 insmod/rmmod 命令到内核模块初始化/退出函数被调用的完整流程：

2.3 模块参数

模块参数允许用户在加载模块时传递配置值，无需重新编译。通过 module_param 宏声明参数，用户可以在 insmod 命令行中指定。

2.3.1 参数声明宏

#include <linux/moduleparam.h>

static int irq_num = 10;
static char *device_name = "my_i2c_dev";

module_param(irq_num, int, 0644);
module_param(device_name, charp, 0644);

参数说明：

第一个参数：变量名，必须与前面定义的全局变量一致。
第二个参数：数据类型，支持 int、long、charp（字符串指针）、bool 等。
第三个参数：文件权限掩码，用于 /sys/module/<module>/parameters/ 下的 sysfs 文件权限。0 表示不创建 sysfs 条目。

2.3.2 加载时传递参数

# insmod my_i2c_driver.ko irq_num=33 device_name="i2c-1"

注意：字符串参数 charp 传递时，内核会复制字符串指针，确保字符串在模块生命周期内有效。建议使用静态字符串或 kstrdup 分配。

2.3.3 参数描述宏

使用 MODULE_PARM_DESC 为参数添加描述信息，便于用户查看：

MODULE_PARM_DESC(irq_num, "IRQ number for the device");
MODULE_PARM_DESC(device_name, "Device name string");

2.4 模块许可证与作者声明

Linux内核要求所有模块声明许可证，以维护GPL协议的合规性。未声明或使用非GPL兼容许可证的模块将无法使用某些内核导出的符号（EXPORT_SYMBOL_GPL）。

2.4.1 常用许可证宏

宏	许可证类型	说明
`MODULE_LICENSE("GPL")`	GNU General Public License v2	最常用，可访问所有GPL导出的符号
`MODULE_LICENSE("GPL v2")`	GPL v2	与"GPL"等价
`MODULE_LICENSE("GPL and additional rights")`	GPL + 附加权利	允许额外条款
`MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")`	BSD 或 GPL	双许可证
`MODULE_LICENSE("Proprietary")`	专有许可证	无法使用GPL导出的符号

2.4.2 其他元信息宏

MODULE_AUTHOR("Your Name <email@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("I2C device driver for sensor XYZ");
MODULE_VERSION("1.0");
MODULE_ALIAS("i2c:my_sensor");

最佳实践：始终使用 MODULE_LICENSE("GPL") 除非你有明确的商业许可需求。许多内核核心功能（如中断处理、内存分配）的符号都标记为 EXPORT_SYMBOL_GPL，非GPL模块无法调用。

2.5 完整的最小模块示例

以下是一个完整的、可编译的内核模块，集成了本节所有知识点：

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

static int irq = 17;
static char *name = "default_dev";

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

MODULE_PARM_DESC(irq, "IRQ number for the device");
MODULE_PARM_DESC(name, "Device name string");

static int __init my_module_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Module loaded: irq=%d, name=%s\n", irq, name);
    /* 实际驱动中在此处注册I2C设备、申请中断等 */
    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Module unloaded: cleaning up resources\n");
    /* 实际驱动中在此处释放中断、注销设备等 */
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Linux Engineer <engineer@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("Minimal kernel module example with parameters");
MODULE_VERSION("1.0");

2.6 模块编程常见错误与避坑

忘记 module_init/module_exit：模块加载成功但初始化函数未执行，功能完全失效。
初始化函数返回非零值：模块加载失败，但已分配的资源未释放，导致资源泄漏。
退出函数未完全清理：卸载后设备仍被占用，下次加载时冲突。
参数类型不匹配：声明为 int 却传递字符串，导致内核崩溃。
许可证声明缺失：内核打印警告，且无法使用 GPL 导出的符号。
使用 __init 但函数被多次调用：__init 函数在初始化后可能被释放，再次调用导致非法访问。

  调试建议：使用 dmesg 查看 printk 输出；使用 lsmod 查看模块加载状态；使用 modinfo 查看模块元信息；使用 cat /sys/module/<module>/parameters/<param> 查看运行时参数值。

2.7 模块参数与 sysfs 交互 SVG 图

下图展示了模块参数如何在用户空间通过 sysfs 文件系统进行读写：

2.8 小结

本节覆盖了Linux内核模块编程的核心基础：

初始化/退出函数：模块的入口和出口，使用 __init/__exit 优化内存。
module_init/module_exit：注册函数到内核模块框架。
模块参数：通过 module_param 实现运行时配置，支持 sysfs 动态调整。
许可证与元信息：使用 MODULE_LICENSE 等宏声明模块属性。