• Linux 系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供了功能強(qiáng)大且容易擴(kuò)展的 API，但在某些情況下，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與硬件交互或進(jìn)行需要訪問系統(tǒng)中特權(quán)信息的操作時，就需要一個內(nèi)核模塊。

• Linux 內(nèi)核模塊是一段編譯后的二進(jìn)制代碼，直接插入 Linux 內(nèi)核中，在 Ring 0（x86–64處理器中執(zhí)行最低和受保護(hù)程度最低的執(zhí)行環(huán)）上運(yùn)行。這里的代碼完全不受檢查，但是運(yùn)行速度很快，可以訪問系統(tǒng)中的所有內(nèi)容。

• Intel x86架構(gòu)使用了4個級別來標(biāo)明不同的特權(quán)級。Ring 0 實際就是內(nèi)核態(tài)，擁有最高權(quán)限。而一般應(yīng)用程序處于 Ring 3 狀態(tài)--用戶態(tài)。在Linux中，還存在 Ring 1 和Ring 2 兩個級別，一般歸屬驅(qū)動程序的級別。在Windows平臺沒有 Ring 1 和 Ring 2 兩個級別，只用 Ring 0 內(nèi)核態(tài)和 Ring 3 用戶態(tài)。在權(quán)限約束上，高特權(quán)等級狀態(tài)可以閱讀低特權(quán)等級狀態(tài)的數(shù)據(jù)，例如進(jìn)程上下文、代碼、數(shù)據(jù)等等，但反之則不可。Ring 0 最高可以讀取 Ring 0-3 所有的內(nèi)容，Ring 1 可以讀 Ring 1-3 的，Ring 2 以此類推，Ring 3 只能讀自己的數(shù)據(jù)。

1. 為什么要開發(fā)內(nèi)核模塊

• 編寫Linux內(nèi)核模塊并不是因為內(nèi)核太龐大而不敢修改。直接修改內(nèi)核源碼會導(dǎo)致很多問題，例如：通過更改內(nèi)核，你將面臨數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)損壞的風(fēng)險。內(nèi)核代碼沒有常規(guī)Linux應(yīng)用程序所擁有的安全防護(hù)機(jī)制，如果內(nèi)核發(fā)生故障，將鎖死整個系統(tǒng)。

• 更糟糕的是，當(dāng)你修改內(nèi)核并導(dǎo)致錯誤后，可能不會立即表現(xiàn)出來。如果模塊發(fā)生錯誤，在其加載時就鎖定系統(tǒng)是最好的選擇，如果不鎖定，當(dāng)你向模塊中添加更多代碼時，你將會面臨失控循環(huán)和內(nèi)存泄漏的風(fēng)險，如果不小心，它們會隨著計算機(jī)繼續(xù)運(yùn)行而持續(xù)增長，最終，關(guān)鍵的存儲器結(jié)構(gòu)甚至緩沖區(qū)都可能被覆蓋。

• 編寫內(nèi)核模塊時，基本是可以丟棄傳統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)范例。除了加載和卸載模塊之外，你還需要編寫響應(yīng)系統(tǒng)事件的代碼（而不是按順序模式執(zhí)行的代碼）。通過內(nèi)核開發(fā)，你正在編寫API，而不是應(yīng)用程序。

• 你也無權(quán)訪問標(biāo)準(zhǔn)庫，雖然內(nèi)核提供了一些函數(shù)，例如 printk（可替代printf）和 kmalloc（以與malloc相似的方式運(yùn)行），但你在很大程度上只能使用自己的設(shè)備。此外，在卸載模塊時，你需要將自己清理干凈，系統(tǒng)不會在你的模塊被卸載后進(jìn)行垃圾回收。

2. 準(zhǔn)備

• 開始編寫Linux內(nèi)核模塊之前，我們首先要準(zhǔn)備一些工具。最重要的是，你需要有一臺Linux機(jī)器，盡管可以使用任何Linux發(fā)行版，但本文中，我使用的是Ubuntu 16.04 LTS，如果你使用的其他發(fā)行版，可能需要稍微調(diào)整安裝命令。

• 其次，你需要一臺物理機(jī)或虛擬機(jī)，我不建議你直接使用物理機(jī)編寫內(nèi)核模塊，因為當(dāng)你出錯時，主機(jī)的數(shù)據(jù)可能會丟失。在編寫和調(diào)試內(nèi)核模塊的過程中，你至少會鎖定機(jī)器幾次，內(nèi)核崩潰時，最新的代碼更改可能仍在寫緩沖區(qū)中，因此，你的源文件可能會損壞，在虛擬機(jī)中進(jìn)行測試可以避免這種風(fēng)險。

• 最后，你至少需要了解一些C。對于內(nèi)核來說，C++在運(yùn)行時太大了，因此編寫純C代碼是必不可少的。另外，對于其與硬件的交互，了解一些組件可能會有所幫助。

3. 安裝開發(fā)環(huán)境

• 在Ubuntu上，我們需要運(yùn)行以下代碼：

• 這將安裝本文所需的基本開發(fā)工具和內(nèi)核頭文件。

• 以下示例假定你以普通用戶身份而非 root 用戶身份運(yùn)行，但你具有 sudo 特權(quán)。sudo 是加載內(nèi)核模塊必需的，但是我們希望盡可能在非 root 權(quán)限下工作。

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• 讓我們開始編寫一些代碼，準(zhǔn)備環(huán)境：

啟動您喜歡的編輯器（在我的例子中是vim），并創(chuàng)建具有以下內(nèi)容的文件 lkm_example.c

• 現(xiàn)在，我們已經(jīng)構(gòu)建了最簡單的內(nèi)核模塊，下面介紹代碼的細(xì)節(jié)："includes" 包括Linux內(nèi)核開發(fā)所需的必需頭文件。

• 根據(jù)模塊的許可證，可以將 MODULE_LICENSE 設(shè)置為各種值。要查看完整列表，請運(yùn)行：

• 我們將 init（加載）和 exit（卸載）函數(shù)都定義為靜態(tài)并返回 int。

• 注意使用 printk 而不是 printf，另外，printk 與 printf 共享的參數(shù)也不相同。例如，KERN_INFO 是一個標(biāo)志，用于聲明應(yīng)為該行設(shè)置的日志記錄優(yōu)先級，并且不帶逗號。內(nèi)核在printk函數(shù)中對此進(jìn)行分類以節(jié)省堆棧內(nèi)存。

• 在文件末尾，我們調(diào)用 module_init 和 module_exit 函數(shù)告訴內(nèi)核哪些函數(shù)是內(nèi)核模塊的加載和卸載函數(shù)。這使我們可以任意命名這兩個函數(shù)。

• 目前，還無法編譯此文件，我們需要一個 Makefile，請注意，make 對于空格和制表符敏感，因此請確保在適當(dāng)?shù)牡胤绞褂弥票矸皇强崭瘛?/p>

• 如果我們運(yùn)行 "make"，它將成功編譯你編寫的模塊，編譯后的文件為 "lkm_example.ko"，如果收到任何錯誤，請檢查示例源文件中的引號是否正確，并且不要將其粘貼為UTF-8字符。

• 現(xiàn)在我們可以將此模塊加載進(jìn)內(nèi)核進(jìn)行測試了，命令如下：

如果一切順利，你將看不到任何輸出，因為 printk 函數(shù)不會輸出到控制臺，而是輸出到內(nèi)核日志。要看到內(nèi)核日志中的內(nèi)容，我們需要運(yùn)行：

• 你應(yīng)該看到以時間戳為前綴的行："Hello, World!"，這意味著我們的內(nèi)核模塊已加載并成功打印到內(nèi)核日志中。

• 我們還可以檢查模塊是否已被加載：

要卸載模塊，運(yùn)行：

• 如果再次運(yùn)行 dmesg，你將看到"Goodbye, World!" 在日志中。你也可以再次使用 lsmod 命令確認(rèn)它已卸載。

• 如你所見，此測試工作流程有點(diǎn)繁瑣，因此要使其自動化，我們可以在 Makefile 中添加：

現(xiàn)在，運(yùn)行：

• 測試我們的模塊并查看內(nèi)核日志的輸出，而不必運(yùn)行單獨(dú)的命令。

• 現(xiàn)在，我們有了一個功能齊全，但又很簡單的內(nèi)核模塊！

5. 一般模塊

• 讓我們再思考下。盡管內(nèi)核模塊可以完成各種任務(wù)，但與應(yīng)用程序進(jìn)行交互是其最常見的用途之一。

• 由于操作系統(tǒng)限制了應(yīng)用程序查看內(nèi)核空間內(nèi)存的內(nèi)容，因此，應(yīng)用程序必須使用API與內(nèi)核進(jìn)行通信。盡管從技術(shù)上講，有多種方法可以完成此操作，但最常見的方法是創(chuàng)建設(shè)備文件。

• 你以前可能已經(jīng)與設(shè)備文件進(jìn)行過交互。使用 /dev/zero，/dev/null 或類似設(shè)備的命令就是與名為 zero 和 null 的設(shè)備進(jìn)行交互，這些設(shè)備將返回期望的值。

• 在我們的示例中，我們將返回 "Hello，World"，雖然這些字符串對于應(yīng)用程序并沒有什么用，但它將顯示通過設(shè)備文件響應(yīng)應(yīng)用程序的過程。

• 這是完整代碼：

既然我們的示例所做的不僅僅是在加載和卸載時打印一條消息，讓我們修改Makefile，使其僅加載模塊而不卸載模塊：

• 現(xiàn)在，當(dāng)您運(yùn)行 "make test" 時，您將看到設(shè)備主號碼的輸出。在我們的示例中，這是由內(nèi)核自動分配的，但是，你需要此值來創(chuàng)建設(shè)備。

• 獲取從 "make test" 獲得的值，并使用它來創(chuàng)建設(shè)備文件，以便我們可以從用戶空間與內(nèi)核模塊進(jìn)行通信：

• 在上面的示例中，將MAJOR替換為你運(yùn)行 "make test" 或 "dmesg" 后得到的值，我得到的MAJOR為236，如上圖，mknod命令中的 "c" 告訴mknod我們需要創(chuàng)建一個字符設(shè)備文件。

• 現(xiàn)在我們可以從設(shè)備中獲取內(nèi)容：

或者通過 "dd" 命令：

• 你也可以通過應(yīng)用程序訪問此設(shè)備，它們不必編譯應(yīng)用程序--甚至Python、Ruby和PHP腳本也可以訪問這些數(shù)據(jù)。

• 完成測試后，將其刪除并卸載模塊：

6. 結(jié)論

• 盡管我提供的示例是簡單內(nèi)核模塊，但你完全可以根據(jù)此結(jié)構(gòu)來構(gòu)造自己的模塊，以完成非常復(fù)雜的任務(wù)。

• 請記住，你在內(nèi)核模塊開發(fā)過程中完全靠自己。如果你為客戶提供一個項目的報價，一定要把預(yù)期的調(diào)試時間增加一倍，甚至三倍。內(nèi)核代碼必須盡可能的完美，以確保運(yùn)行它的系統(tǒng)的完整性和可靠性。