Linux允許用戶通過插入模塊，實現干預內核的目的。一直以來，對linux的模塊機制都不夠清晰，因此本文對內核模塊的加載機制進行簡單地分析。
模塊的Hello World！
我們通過創建一個簡單的模塊進行測試。首先是源文件main.c和Makefile。
florian@florian-pc:~/module$ cat main.c
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
static int __init init(void)
{
printk("Hi module!\n");
return 0;
}
static void __exit exit(void)
{
printk("Bye module!\n");
}
module_init(init);
module_exit(exit);
其中init為模塊入口函數，在模塊加載時被調用執行，exit為模塊出口函數，在模塊卸載被調用執行。
florian@florian-pc:~/module$ cat Makefile
obj-m += main.o
#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C (LINUX K ERNEL P ATH)M= (CURRENT_PATH) modules
#clean
clean:
make -C (LINUX K ERNEL P ATH)M= (CURRENT_PATH) clean
其中，obj-m指定了目標文件的名稱，文件名需要和源文件名相同（擴展名除外），以便於make自動推導。
然後使用make命令編譯模塊，得到模塊文件main.ko。
florian@florian-pc:~/module$ make
make -C /usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic M=/home/florian/module modules
make[1]: 正在進入目錄 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
make[1]:正在離開目錄 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'
使用insmod和rmmod命令對模塊進行加載和卸載操作，並使用dmesg打印內核日志。
florian@florian-pc:~/module$ sudo insmod main.ko;dmesg | tail -1
[31077.810049] Hi module!
florian@florian-pc:~/module$ sudo rmmod main.ko;dmesg | tail -1
[31078.960442] Bye module!
通過內核日志信息，可以看出模塊的入口函數和出口函數都被正確調用執行。
模塊文件
使用readelf命令查看一下模塊文件main.ko的信息。
florian@florian-pc:~/module$ readelf -h main.ko
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: REL (Relocatable file)
Machine: Intel 80386
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 1120 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 0 (bytes)
Number of program headers: 0
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 19
Section header string table index: 16
我們發現main.ko的文件類型為可重定位目標文件，這和一般的目標文件格式沒有任何區別。我們知道，目標文件是不能直接執行的，它需要經過鏈接器的地址空間分配、符號解析和重定位的過程，轉化為可執行文件才能執行。
那麼，內核將main.ko加載後，是否對其進行了鏈接呢？
模塊數據結構
首先，我們了解一下模塊的內核數據結構。
linux3.5.2/kernel/module.h:220
struct module
{
……
/* Startup function. */
int (*init)(void);
……
/* Destruction function. */
void (*exit)(void);
……
};
模塊數據結構的init和exit函數指針記錄了我們定義的模塊入口函數和出口函數。
模塊加載
模塊加載由內核的系統調用init_module完成。
linux3.5.2/kernel/module.c:3009
/* This is where the real work happens */
SYSCALL_DEFINE3(init_module, void __user *, umod,
unsigned long, len, const char __user *, uargs)
{
struct module *mod;
int ret = 0;
……
/* Do all the hard work */
mod = load_module(umod, len, uargs);//模塊加載
……
/* Start the module */
if (mod->init != NULL)
ret = do_one_initcall(mod->init);//模塊init函數調用
……
return 0;
}
系統調用init_module由SYSCALL_DEFINE3(init_module...)實現，其中有兩個關鍵的函數調用。load_module用於模塊加載，do_one_initcall用於回調模塊的init函數。
函數load_module的實現為。
linux3.5.2/kernel/module.c:2864
/* Allocate and load the module: note that size of section 0 is always
zero, and we rely on this for optional sections. */
static struct module *load_module(void __user *umod,
unsigned long len,
const char __user *uargs)
{
struct load_info info = { NULL, };
struct module *mod;
long err;
……
/* Copy in the blobs from userspace, check they are vaguely sane. */
err = copy_and_check(&info, umod, len, uargs);//拷貝到內核
if (err)
return ERR_PTR(err);
/* Figure out module layout, and allocate all the memory. */
mod = layout_and_allocate(&info);//地址空間分配
if (IS_ERR(mod)) {
err = PTR_ERR(mod);
goto free_copy;
}
……
/* Fix up syms, so that st_value is a pointer to location. */
err = simplify_symbols(mod, &info);//符號解析
if (err < 0)
goto free_modinfo;
err = apply_relocations(mod, &info);//重定位
if (err < 0)
goto free_modinfo;
……
}
函數load_module內有四個關鍵的函數調用。copy_and_check將模塊從用戶空間拷貝到內核空間，layout_and_allocate為模塊進行地址空間分配，simplify_symbols為模塊進行符號解析，apply_relocations為模塊進行重定位。
由此可見，模塊加載時，內核為模塊文件main.ko進行了鏈接的過程！
至於函數do_one_initcall的實現就比較簡單了。
linux3.5.2/kernel/init.c:673
int __init_or_module do_one_initcall(initcall_t fn)
{
int count = preempt_count();
int ret;
if (initcall_debug)
ret = do_one_initcall_debug(fn);
else
ret = fn();//調用init module
……
return ret;
}
即調用了模塊的入口函數init。
模塊卸載
模塊卸載由內核的系統調用delete_module完成。
linux3.5.2/kernel/module.c:768
SYSCALL_DEFINE2(delete_module, const char __user *, name_user,
unsigned int, flags)
{
struct module *mod;
char name[MODULE_NAME_LEN];
int ret, forced = 0;
……
/* Final destruction now no one is using it. */
if (mod->exit != NULL)
mod->exit();//調用exit module
……
free_module(mod);//卸載模塊
……
}
通過回調exit完成模塊的出口函數功能，最後調用free_module將模塊卸載。
結論
如此看來，內核模塊其實並不神秘。傳統的用戶程序需要編譯為可執行程序才能執行，而模塊程序只需要編譯為目標文件的形式便可以加載到內核，有內核實現模塊的鏈接，將之轉化為可執行代碼。同時，在內核加載和卸載的過程中，會通過函數回調用戶定義的模塊入口函數和模塊出口函數，實現相應的功能。
