📚 课程目录第2章第一个内核模块

2. 第一个内核模块：编写并加载一个简单的“Hello World”内核模块，理解 module_init 和 module_exit 机制

2.1 本章目标

掌握内核模块的基本代码结构
理解 module_init 与 module_exit 宏的注册与回调机制
学会使用 Makefile 编译内核模块
掌握 insmod、rmmod、dmesg 等基本操作

2.2 内核模块的骨架

一个最简的内核模块必须包含两个核心宏：module_init 和 module_exit。它们分别指定模块加载到内核时执行的初始化函数，以及模块卸载时执行的清理函数。

  关键概念： 内核模块运行在 内核空间，不能直接调用标准 C 库函数（如 printf），必须使用内核提供的 printk 函数输出日志。

2.2.1 代码结构

#include <linux/module.h>      // 包含模块相关的宏和函数
#include <linux/kernel.h>      // 包含 printk 等内核函数
#include <linux/init.h>        // 包含 __init 和 __exit 宏

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello World: 模块已加载\n");
    return 0;   // 返回 0 表示加载成功
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello World: 模块已卸载\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

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

2.3 module_init 与 module_exit 机制

这两个宏本质上是编译器属性标记，它们将函数指针放入特定的 ELF 段（.init.text 和 .exit.text）。内核在加载模块时，会从模块文件中提取 module_init 注册的函数地址并执行；卸载时则调用 module_exit 注册的函数。

提示： __init 标记告诉内核：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。__exit 标记则用于卸载路径，如果模块被编译进内核（而非动态加载），该函数会被忽略。

2.3.1 加载与卸载流程

2.4 编译内核模块：Makefile 编写

内核模块的编译必须依赖内核源码树（或内核头文件包）。标准做法是使用内核提供的 Kbuild 系统。

# Makefile
obj-m := hello.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD  := $(shell pwd)

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

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

变量/目标	说明
`obj-m := hello.o`	告诉 Kbuild 将 `hello.c` 编译成可动态加载的内核模块 `hello.ko`
`KDIR`	指向当前运行内核的构建目录（包含 `Makefile` 和头文件）
`-C $(KDIR)`	切换到内核源码目录执行 `make`
`M=$(PWD)`	指定模块源码所在路径，`make` 会返回该目录编译模块
`modules`	内核 Makefile 的目标，用于编译外部模块

常见错误： 如果系统没有安装内核头文件（linux-headers-*），KDIR 路径不存在，编译会失败。Ubuntu/Debian 下执行 sudo apt install linux-headers-$(uname -r) 安装。

2.5 编译与测试步骤

编写代码： 将 2.2.1 节的代码保存为 hello.c，Makefile 保存为 Makefile。
编译： 在终端执行 make，生成 hello.ko。
加载模块： sudo insmod hello.ko（无输出表示成功）。
查看日志： dmesg | tail，应看到 Hello World: 模块已加载。
卸载模块： sudo rmmod hello。
再次查看日志： dmesg | tail，应看到 Hello World: 模块已卸载。
清理： make clean 删除编译产生的中间文件。

2.6 模块信息与工具

命令	功能	示例
`insmod`	加载模块（需指定 .ko 文件路径）	`sudo insmod hello.ko`
`rmmod`	卸载模块（只需模块名，不含 .ko）	`sudo rmmod hello`
`modprobe`	智能加载/卸载（自动处理依赖）	`sudo modprobe hello`
`lsmod`	列出当前已加载的所有模块	`lsmod \| grep hello`
`modinfo`	查看模块的详细信息（作者、描述、参数等）	`modinfo hello.ko`
`dmesg`	查看内核环形缓冲区日志	`dmesg -H`（人类可读格式）

2.7 常见问题与避坑

权限问题： 加载和卸载模块需要 root 权限，必须使用 sudo。
版本不匹配： 模块必须与当前运行的内核版本完全一致，否则 insmod 会报 Invalid module format 错误。
printk 看不到输出： 检查日志级别，使用 dmesg -H 或 journalctl -k 查看；某些系统可能将 KERN_INFO 级别的日志过滤掉。
模块名冲突： 如果内核已存在同名模块，insmod 会失败，先用 lsmod 确认。
忘记 MODULE_LICENSE： 不声明许可证会导致内核报 kernel tainted 警告，且某些内核功能不可用。

2.8 本章小结

通过本章，你完成了第一个内核模块的编写、编译、加载和卸载全流程。核心要点是：

module_init 和 module_exit 是内核模块的入口和出口，由内核在特定时机回调。
内核模块使用 printk 输出日志，通过 dmesg 查看。
Makefile 依赖内核构建系统 Kbuild，必须指定正确的 KDIR。
模块的加载/卸载操作需要 root 权限，且版本必须与内核匹配。