📚 课程目录第3章 Linux内核模块基础

3. Linux 内核模块基础：内核模块概念、模块加载与卸载、module_init 与 module_exit 宏、模块许可证与作者信息

在嵌入式 Linux 与 Android 内核开发中，内核模块（Kernel Module）是动态扩展内核功能的核心机制。它允许开发者在不重新编译整个内核、不重启设备的情况下，向运行中的内核插入或移除代码。本章将系统讲解内核模块的基本概念、生命周期管理、入口/出口宏定义以及许可证与作者信息的规范写法，为后续 GPIO 驱动开发奠定基础。

3.1 内核模块概念

内核模块是一段可以在运行时被加载到内核地址空间的代码，通常用于实现设备驱动、文件系统、网络协议等。与直接编译进内核（built-in）相比，模块化具有以下优势：

动态加载/卸载：无需重启系统即可添加或移除功能。
节省内存：仅在需要时加载模块，减少内核映像体积。
快速迭代：开发阶段可频繁修改、编译、加载模块，无需烧录整个内核。
热插拔支持：配合 udev 或设备树，可自动加载对应驱动模块。

💡 提示：在 Android 内核中，大部分硬件驱动（包括 GPIO、I2C、SPI 等）都以模块形式存在，存放在 /vendor/lib/modules/ 或 /system/lib/modules/ 目录下。

3.2 模块加载与卸载

内核模块的生命周期由用户空间工具和内核协同管理。常用的命令如下：

命令	功能	示例
`insmod`	加载指定 .ko 模块文件，不自动处理依赖	`insmod gpio_driver.ko`
`rmmod`	卸载指定模块，需确保无其他模块依赖	`rmmod gpio_driver`
`modprobe`	智能加载/卸载，自动处理模块依赖	`modprobe gpio_driver`
`lsmod`	列出当前已加载的所有模块	`lsmod \| grep gpio`
`modinfo`	查看模块的详细信息（作者、描述、参数等）	`modinfo gpio_driver.ko`

⚠️ 注意：在 Android 设备上，由于 selinux 策略限制，普通应用无法直接执行 insmod，通常需要 root 权限或通过 vendor_init 脚本在 init 阶段加载。

3.3 module_init 与 module_exit 宏

每个内核模块必须定义两个核心宏：module_init() 和 module_exit()，分别指定模块加载和卸载时调用的函数。这两个宏是模块与内核之间的“契约”。

3.3.1 宏定义与函数签名

宏	触发时机	函数返回值	函数参数
`module_init(x)`	执行 `insmod` 或 `modprobe` 时	`int`（0 成功，负值失败）	无
`module_exit(x)`	执行 `rmmod` 或 `modprobe -r` 时	`void`	无

3.3.2 标准模块代码框架

#include <linux/module.h>      // 所有模块必须包含
#include <linux/kernel.h>      // 提供 printk 等内核打印函数
#include <linux/init.h>        // 提供 __init 和 __exit 宏

static int __init gpio_driver_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Driver: 模块加载成功\n");
    // 此处后续将放置 GPIO 注册、中断申请等代码
    return 0;
}

static void __exit gpio_driver_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Driver: 模块卸载成功\n");
    // 此处后续将放置 GPIO 释放、中断注销等代码
}

module_init(gpio_driver_init);
module_exit(gpio_driver_exit);

  🔑 关键点：
  __init 标记：提示内核该函数仅在初始化阶段使用，加载完成后可释放占用的内存。
__exit 标记：提示内核该函数仅在模块卸载时使用，若模块被编译进内核（built-in），此函数会被忽略以节省空间。
printk 是内核空间的打印函数，KERN_INFO 表示日志级别，可通过 dmesg 查看输出。

3.4 模块许可证与作者信息

Linux 内核采用 GPL 许可证，内核模块必须声明其许可证类型，否则内核会认为该模块是“污染”内核（tainted kernel），并限制某些 GPL-only 符号的调用。此外，添加作者和描述信息有助于维护和调试。

3.4.1 常用许可证宏

宏	含义	是否允许调用 GPL-only 符号
`MODULE_LICENSE("GPL")`	GNU General Public License v2	✅ 是
`MODULE_LICENSE("GPL v2")`	GPL v2 版本	✅ 是
`MODULE_LICENSE("GPL and additional rights")`	GPL 附加额外权利	✅ 是
`MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")`	双许可证：BSD 或 GPL	✅ 是
`MODULE_LICENSE("Proprietary")`	专有许可证	❌ 否（内核标记为 tainted）

3.4.2 作者与描述信息宏

MODULE_AUTHOR("Your Name <your.email@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("GPIO Driver for Android Kernel Project");
MODULE_VERSION("1.0");
MODULE_ALIAS("platform:gpio-driver");

📌 最佳实践：

商业项目或开源项目，建议使用 MODULE_LICENSE("GPL v2")，以确保与内核完全兼容。
MODULE_AUTHOR 应包含姓名和邮箱，方便社区或团队联系。
MODULE_DESCRIPTION 应简明扼要描述模块功能，如 "GPIO interrupt handler for sensor input"。
MODULE_VERSION 遵循语义化版本号，如 "1.0.0"。

3.5 完整的最小模块示例

将上述所有元素整合，得到一个完整的、可编译的内核模块源文件：

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

static int __init gpio_driver_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Driver: 初始化成功 (版本 %s)\n", DRV_VERSION);
    return 0;
}

static void __exit gpio_driver_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Driver: 卸载完成\n");
}

module_init(gpio_driver_init);
module_exit(gpio_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("Android Kernel Team <kernel@android.com>");
MODULE_DESCRIPTION("GPIO Driver Module for Android Kernel Project");
MODULE_VERSION("1.0.0");

  🧪 验证方法：
  使用 make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules 编译生成 .ko 文件。
执行 insmod gpio_driver.ko 加载模块，通过 dmesg | tail 查看打印信息。
执行 lsmod | grep gpio 确认模块已加载。
执行 rmmod gpio_driver 卸载模块，再次查看 dmesg 确认卸载信息。

3.6 本章小结

内核模块是 Linux 动态扩展功能的基石，在 Android 内核驱动开发中广泛使用。
module_init() 和 module_exit() 是模块的入口和出口，必须正确实现。
模块许可证声明（MODULE_LICENSE）影响内核符号的访问权限，务必使用 GPL 兼容许可证。
作者、描述、版本等元信息有助于模块的管理和调试，是专业开发的基本素养。
掌握 insmod、rmmod、lsmod、modinfo 等工具，是调试模块的基础技能。