操作系统课程设计分析报告-内核模块

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thychan Dec 06, 2016
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[TOC]

题目:

•理解Linux内核模块的思想、方法，实现以下任意一个内核模块

–① 通过内核模块显示进程控制块信息:遍历进程树，输出进程PID和进程的可执行文件名

–② 设计一个内核模块，实现一个虚拟文件系统，该系统驻留在主存中，可以初始化和安装、卸载、创建、复制、追加、删除文件（目录）

•编写makefile，编译内核模块

•加载内核模块、测试命令

•卸载内核模块

本次课程设计所实现的是内核模块①.

实验环境: 虚拟机Ubuntu16.04.1LTS 内核: Linux 4.4.0-36-generic x86_64

模块代码

传统计算机程序的运行生命周期相当简单。加载器为程序分配内存，然后加载程序和所需要的动态链接库。指令从一些入口开始执行（传统C/C++程序以main()函数作为入口），语句被执行，异常被抛出，动态内存被分配和释放，程序最终运行完成。当程序退出时，操作系统识别任何内存泄露，并释放到内存池。

内核模块不是应用程序，从一开始就没有main()函数。内核模块和普通应用程序的区别有：

  • 非顺序执行：内核模块使用初始化函数将自身注册并处理请求，初始化函数运行后就结束了。内核模块处理的请求在模块代码中定义。这和常用于图形用户界面（graphical-user interface，GUI）应用的事件驱动编程模型比较类似。
  • 没有自动清理：任何由内核模块申请的内存，必须要模块卸载时手动释放，否则这些内存将无法使用，直到系统重启。
  • 不要使用printf()函数：内核代码无法访问为Linux用户空间编写的库。内核模块运行在内核空间，它有自己独立的地址空间。内核空间和用户空间的接口被清晰的定义和控制。内核模块可以通过printk()函数输出信息，这些输出可以在用户空间查看到。
  • 会被中断：内核模块一个概念上困难的地方在于他们可能会同时被多个程序/进程使用。构建内核模块时需要小心，以确保在发生中断的时候行为一致和正确。BeagleBone有一个单核处理器（目前为止），但是我们仍然需要考虑多进程同时访问对模块的影响。
  • 更高级的执行特权：通常内核模块会比用户空间程序分配更多的CPU周期。这看上去是一个优势，然而需要特别注意内核模块不会影响到系统的综合性能。
  • 无浮点支持：对用户空间应用，内核代码使用陷阱（trap）来实现整数到浮点模式的转换。然而在内核空间中这些陷阱难以使用。替代方案是手工保存和恢复浮点运算，这是最好的避免方式，并将处理留给用户空间代码。

​ listpro.c

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#include <linux/init.h>	        // 用于标记函数的宏，如__init、__exit
#include <linux/module.h>       // 加载内核模块到内核使用的核心头文件
#include <linux/kernel.h>       // 包含内核使用的类型、宏和函数
#include <linux/sched.h> 	    //task_struct在linux/sched.h文件里定义(在使用for_each_process宏的时需要引入这个头文件)
MODULE_LICENSE("GPL");			// 许可类型，它会影响到运行时行为
static int num=-1;				// 可加载内核模块参数，这里默认值设置为“-1”
module_param(num, int, S_IRUGO); // 参数描述,int表示类型为整型，S_IRUGO表示该参数只读，无法修改
/** 模块加载函数 
 *  @brief 可加载内核模块初始化函数
 *  static关键字限制了该函数的可见范围为当前C文件。
 *  @return 当执行成功返回0
 */
static int list_init(void)
{
  struct task_struct *task, *p;
  struct list_head *pos;
  int count=0;
  p = NULL;
  pos = &(init_task.tasks);
  task = &init_task;
  printk(KERN_ALERT "\n========listpro_start=======\n");
  printk(KERN_ALERT "PID\tCOMM\n");
  if(num!=-1)			//按用户指定的num打印进程控制块的数量
    {
      p=list_entry(pos, struct task_struct, tasks);
      for(count=0;count<num;count++)
      	{
	  printk(KERN_ALERT "%d\t%s\n", p->pid, p->comm);
	  p=list_entry(p->tasks.next, struct task_struct, tasks);
      	}
    }
  else
    {
      	for_each_process(task) //默认打印所有的进程控制块
		{
			count++;
			printk(KERN_ALERT "%d\t%s\n", task->pid, task->comm);
	   	}
	}
  printk("已打印进程控制块的数量为%d!", count);
  return 0;
}
/** 模块卸载函数
 *  @brief 可加载内核模块清理函数和初始化函数类似，它是静态（static）的。
 */
static void list_exit(void)
{
  printk(KERN_ALERT "Goodbye !");
  printk(KERN_ALERT "\n=======listpro_end=======\n");
}
/*模块注册函数*/
module_init(list_init);
module_exit(list_exit);

除了列表1注释中描述的点之外，还有一些补充的点：

  • 第6行：语句MODULE_LICENSE(“GPL”)提供了（通过modinfo）该模块的许可条款，这让使用这个内核模块的用户能够确保在使用自由软件。由于内核是基于GPL发布的，许可的选择会影响内核处理模块的方式。如果对于非GPL代码选择“专有”许可，内核将会把模块标记为“污染的（tainted）”，并且显示警告。对GPL有非污染（non-tainted）的替代品，比如“GPL版本2”、“GPL和附加权利”、“BSD/GPL双许可”、“MIT/GPL双许可”和“MPL/GPL双许可”。更多内容可以查看linux/module.h头文件。
  • 第7行：num（int类型）被声明为静态，并且被初始化为-1。在内核模块中应该避免使用全局变量，这比在应用程序编程时更加重要，因为全局变量被整个内核共享。应该使用static关键字来限制变量在模块中的作用域。如果必须使用全局变量，在变量名上增加前缀确保在模块中是唯一的。
  • 第8行：module_param(name, type, permissions)宏有三个参数，名字（展示给用户的参数名和模块中的变量名）、类型（参数类型，即byte、int、uint、long、ulong、short、ushort、bool、逆布尔invbool或字符指针之一）和权限（S_IRUGO意味着运行用户/组/其他只有读权限）。
  • 第15和49行：函数可以是任何名字（如list_init()和list_exit()），但是必须向module_init()和module_exit()宏传入相同的名字，如第56和57行。
  • 第23行：printk()和printf()行数的使用方式类似，可以在内核模块代码的任何地方调用该函数。唯一重要却别是当调用printk()函数时，必须提供日志级别。日志级别在linux/kern_levels.h头文件中定义，它的值为KERN_EMERG、KERN_ALERT、KERN_CRIT、KERN_ERR、KERN_WARNING、KERN_NOTICE、KERN_INFO、KERN_DEBUG和KERN_DEFAULT之一。该头文件通过linux/printk.h文件被包含在linux/kernel.h头文件中。

从本质上讲，当模块加载时，list_init()函数将会执行。当模块卸载时，list_exit()函数会被执行。

构建模块代码

构建内核模块需要Makefile文件，事实上是一个特殊的kbuild Makefile。构建本文示例的内核模块所需要的Makefile文件如下:

​ Makefile

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obj-m+=listpro.o
LINUX_KERNEL :=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
	make -C $(LINUX_KERNEL) M=$(shell pwd) modules
clean:
	make -C $(LINUX_KERNEL) M=$(shell pwd) clean

Makefile文件第一行被成为目标定义，它定义了需要构建的模块（listpro.o）。obj-m定义了可加载模块目标。当模块需要从多个目标文件构建时，语法会变得更加复杂，但这个Makefile文件对构建示例模块已经足够了。

Makefile文件中需要提醒的内容和普通Makefile文件类似。

  • (shell uname -r)命令返回当前内核构建版本，这确保了一定程度的可移植性。
  • C选项在执行任何make任务前将目录切换到内核目录。
  • M=$(PWD)变量赋值告诉make命令实际工程文件存放位置。对于外部内核模块来说，modules目标是默认目标。另一种目标是modules_install，它将安装模块（make命令必须使用超级用户权限执行且需要提供模块安装路径）。

一切都很顺利的情况下（如已经按照前文描述安装了Linux内核头文件），构建内核模块的过程是很简单快捷的。构建步骤如下：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ ls -l
总用量 8
-rw------- 1 chan chan 1162 12月  6 17:37 listpro.c
-rw------- 1 chan chan  176 12月  6 17:56 Makefile
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ make
make -C /lib/modules/4.4.0-38-generic/build M=/home/chan/Desktop/kernel modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-4.4.0-38-generic'
  CC [M]  /home/chan/Desktop/kernel/listpro.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC      /home/chan/Desktop/kernel/listpro.mod.o
  LD [M]  /home/chan/Desktop/kernel/listpro.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-4.4.0-38-generic'
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ ls -l
总用量 36
-rw------- 1 chan chan 1162 12月  6 17:37 listpro.c
-rw-rw-r-- 1 chan chan 5664 12月  6 18:06 listpro.ko
-rw-rw-r-- 1 chan chan  867 12月  6 18:06 listpro.mod.c
-rw-rw-r-- 1 chan chan 3008 12月  6 18:06 listpro.mod.o
-rw-rw-r-- 1 chan chan 4752 12月  6 18:06 listpro.o
-rw------- 1 chan chan  176 12月  6 17:56 Makefile
-rw-rw-r-- 1 chan chan   44 12月  6 18:06 modules.order
-rw-rw-r-- 1 chan chan    0 12月  6 18:06 Module.symvers
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$

现在，在构建目录中能够看见一个listpro.ko可加载内核模块，它的文件扩展名为.ko。

测试可加载内核模块

该模块目前能够使用内核模块工具加载：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ sudo insmod listpro.ko
[sudo] chan 的密码： 
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ lsmod
Module                  Size  Used by
listpro                16384  0
vmw_vsock_vmci_transport    28672  1
...
scsi_transport_spi     32768  1 mptspi
e1000                 135168  0
pata_acpi              16384  0
fjes                   28672  0
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$

通过modinfo命令，可以获得模块的信息，这个命令能够识别出模块的描述、作者和定义的任何模块参数：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ modinfo listpro.ko
filename:       /home/chan/Desktop/kernel/listpro.ko
license:        GPL
srcversion:     E5799ABCE0644B7E481E418
depends:        
vermagic:       4.4.0-38-generic SMP mod_unload modversions 
parm:           num:int
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$

模块可以通过rmmod命令卸载：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ sudo rmmod listpro.ko
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$

重复上述步骤，可以在内核日志(/var/log/kern.log)中看见使用printk()函数输出的结果。可加载内核模块加载和卸载时的输出(中间省略)，如下：

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Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437869] ========listpro_start=======
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437874] PID	COMM
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437877] 1	systemd
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437878] 2	kthreadd
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437880] 3	ksoftirqd/0
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437882] 5	kworker/0:0H
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.437883] 7	rcu_sched
...
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.438353] 7461	kworker/2:0
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.438355] 8161	kworker/1:1
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.438356] 8167	sudo
Dec  6 18:08:12 ubuntu-vm kernel: [ 4428.438358] 8168	insmod
Dec  6 18:13:53 ubuntu-vm kernel: [ 4428.438359] 已打印进程控制块的数量为267!
Dec  6 18:13:53 ubuntu-vm kernel: [ 4768.952967] Goodbye !<1>[ 4768.952971] 
Dec  6 18:13:53 ubuntu-vm kernel: [ 4768.952971] =======listpro_end=======
测试可加载内核模块自定义参数

列表1中的代码同时包含了自定义参数，它允许在初始化时向内核模块传递参数。这个功能能够这样测试：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ sudo insmod listpro.ko num=7
chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$

这时如果查看/var/log/kern.log文件，会看见如下新增日志消息.

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Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185921] ========listpro_start=======
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185926] PID	COMM
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185928] 0	swapper/0
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185930] 1	systemd
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185931] 2	kthreadd
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185933] 3	ksoftirqd/0
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185934] 5	kworker/0:0H
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185935] 7	rcu_sched
Dec  6 18:18:07 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185937] 8	rcu_bh
Dec  6 18:19:53 ubuntu-vm kernel: [ 5023.185938] 已打印进程控制块的数量为7!
Dec  6 18:19:53 ubuntu-vm kernel: [ 5129.251625] Goodbye !<1>[ 5129.251629] 
Dec  6 18:19:53 ubuntu-vm kernel: [ 5129.251629] =======listpro_end=======

模块被加载后，在/sys/module/目录下将出现以模块名命名的目录, 它提供了用户直接访问自定义参数状态的方式。例如：

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chan@ubuntu-vm:~/Desktop/kernel$ cd /sys/module/listpro/
chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro$ ls -l
总用量 0
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 coresize
drwxr-xr-x 2 root root    0 12月  6 18:37 holders
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 initsize
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 initstate
drwxr-xr-x 2 root root    0 12月  6 18:37 notes
drwxr-xr-x 2 root root    0 12月  6 18:37 parameters
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 refcnt
drwxr-xr-x 2 root root    0 12月  6 18:37 sections
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 srcversion
-r--r--r-- 1 root root 4096 12月  6 18:37 taint
--w------- 1 root root 4096 12月  6 18:37 uevent
chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro$

如果此模块存在perm不为0的命令行参数则在此模块的目录下将出现parameters目录，包含一系列以参数名命名的文件节点，这些文件的权限值等于perm，文件的内容为参数的值。自定义参数查看步骤为：

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chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro$ cd parameters
chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro/parameters$ ls
num
chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro/parameters$ cat num
-1
chan@ubuntu-vm:/sys/module/listpro/parameters$

这里num变量的状态可以查看到，并且读取这个值不需要超级用户权限。这是因为在定义内核参数的时候使用了S_IRUGO参数。这个值还能够设置为可写，但是模块代码中将会需要检测状态变化并依据变化做出响应。

总结

在内核中，进程控制块被组织成多个双向链表，其中有一个双向链表包含所有的进程控制块，只需要访问该双向链表，就可以访问到所有进程控制块。

尽管这个模块功能比较简单，但通过这次课程设计，对可加载内核模块如何工作有了概要认识，大致了解了构建、加载、卸载了内核模块的方法，过程，同时了解了可加载内核模块自定义参数的设置。