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1 總體設(shè)計思路

Linux內(nèi)核是單體式結(jié)構(gòu)，相對于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)而言，其運行效率高，但是系統(tǒng)的可維護性和可擴展性較差。為此，Linux提供了內(nèi)核模塊（module）機制，它不僅可以彌補單體式內(nèi)核相對于微內(nèi)核的一些不足，而不影響系統(tǒng)性能。內(nèi)核模塊的全稱是動態(tài)可加載內(nèi)核模塊（Loadabe Kernel Module,KLM），簡稱為模塊。模塊是一個目標文件，能完成某種獨立的功能，但其自身不是一個獨立的進程，不能單獨運行，可以動態(tài)載入內(nèi)核，使其成為內(nèi)核代碼的一部分，與其他內(nèi)核代碼的地位完全相同，當(dāng)不需要某模塊功能時，可以動態(tài)卸載。實際上，Linux中大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序或文件系統(tǒng)都以模塊方式實現(xiàn)，因為它們數(shù)目繁多，體積龐大，不適合直接編譯在內(nèi)核中，而是通過模塊機制，需要時臨時加載。使用模塊機制的另一個好處是，修改模塊代碼后只需要重新編譯和加載模塊，不必重新編譯整個內(nèi)核和引導(dǎo)系統(tǒng)，減少了更新系統(tǒng)功能的復(fù)雜度。

一個模塊通常有一組函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，用來實現(xiàn)某種功能，如實現(xiàn)一種文件系統(tǒng)、一個驅(qū)動模塊或其他內(nèi)核上層的功能。模塊自身不是一個獨立的進程，當(dāng)前集成運行過程中調(diào)用到模塊代碼時，可以認為該段代碼就代表當(dāng)前進程在核心態(tài)運行。

模塊編程可以使用內(nèi)核的一些全局變量和函數(shù)，內(nèi)核符號表就是用來存放所有模塊都可以訪問的符號及相應(yīng)地址的表，存放在/proc/kallsyms文件中，可以使用“cat /proc/kallsyms”命令查看當(dāng)前環(huán)境下導(dǎo)出的內(nèi)核符號。

通常情況下，一個模塊只需實現(xiàn)自己的功能，而無需導(dǎo)出任何符號；但如果其他模塊需要調(diào)用這個模塊的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，該模塊也可以導(dǎo)出符號。這樣，其他模塊可以使用由該模塊導(dǎo)出的符號，利用現(xiàn)成的代碼實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，這種技術(shù)也被稱為模塊層疊技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)使用在很多主流的內(nèi)核源代碼中。

2 主要函數(shù)的接口設(shè)計

• module1：設(shè)計一個模塊，要求列出系統(tǒng)中所有內(nèi)核線程的程序名、PID、進程狀態(tài)、進程優(yōu)先級、父進程的PID

• module2：設(shè)計一個帶參數(shù)的模塊，其參數(shù)為某個進程的PID號，模塊的功能時列出該進程的家族信息，包括父進程、兄弟進程和子進程的程序名、PID號、進程狀態(tài)

模塊中包括兩個函數(shù)：

• 定義module_init()函數(shù)初始化模塊、定義module_exit()函數(shù)卸載模塊

• 對于需要傳遞參數(shù)的模塊，我們使用module_param()來傳遞參數(shù)

task_struct是Linux內(nèi)核的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它會被裝載到RAM中并且包含著進程的信息。每個進程都把它的信息放在 task_struct 這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，task_struct 包含了這些內(nèi)容：

• 標示符 ： 描述本進程的唯一標識符，用來區(qū)別其他進程

• 狀態(tài) ：任務(wù)狀態(tài)，退出代碼，退出信號等

• 優(yōu)先級 ：相對于其他進程的優(yōu)先級

• 程序計數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址

• 內(nèi)存指針：包括程序代碼和進程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享的內(nèi)存塊的指針

• 上下文數(shù)據(jù)：進程執(zhí)行時處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)

• I／O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求,分配給進程的I／O設(shè)備和被進程使用的文件列表

• 記賬信息：可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數(shù)總和，時間限制，記賬號等

有關(guān)進程信息還有以下三點需要了解：

• 保存進程信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做 task_struct，可以在 include/linux/sched.h 中找到它

• 所有運行在系統(tǒng)中的進程都以 task_struct 鏈表的形式存在內(nèi)核中

• 進程的信息可以通過 /proc 系統(tǒng)文件夾查看。要獲取PID為400的進程信息，你需要查看 /proc/400 這個文件夾。大多數(shù)進程信息同樣可以使用top和ps這些用戶級工具來獲取