内核模块的作用

解决linux内核可扩展性和可维护性相对较差的缺陷

现代内核派系

宏内核：关键功能和服务功能均在内核空间提供

• 运行效率高

• 扩展性较差

微内核：内核空间只提供关键功能，服务功能在用户空间提供

• 运行效率较低

• 安全性、扩展性较高

左侧：宏内核（Monolithic Kernel）架构

这是 Linux、Unix 等传统操作系统的典型设计：

• 内核是一个整体：所有核心功能（VFS、IPC、进程调度、设备驱动等）都运行在内核态，作为一个单一的大程序。
• 应用程序通过系统调用（system call）与内核交互：APP 无法直接操作硬件或核心功能，必须通过统一的系统调用接口进入内核态，由内核完成操作。
• 优点：
  • 性能高：模块间直接函数调用，无额外开销。
  • 功能集成度高：各子系统深度整合，协作高效。
• 缺点：
  • 内核庞大复杂，维护难度高。
  • 一处模块崩溃（如驱动）可能导致整个内核宕机。

右侧：微内核（Microkernel）架构

这是 QNX、Minix 等系统采用的设计思路：

• 内核极度精简：只保留最基础的功能（如内存管理、进程调度、基础 IPC），运行在核心态。
• 大部分功能移到用户态：文件系统、设备驱动、应用层 IPC 等都作为独立的用户态服务进程运行。
• 应用程序通过消息传递与服务交互：APP 直接与用户态服务通信，服务之间也通过内核提供的 IPC 机制通信。
• 优点：
  • 稳定性高：单个服务崩溃不会影响整个系统。
  • 模块化强，易于扩展和移植。
• 缺点：
  • 性能开销大：频繁的进程间消息传递和上下文切换。

维度	宏内核（左侧）	微内核（右侧）
核心思想	功能集中，效率优先	功能分离，稳定优先
交互方式	系统调用（进入内核态）	消息传递（用户态服务间）
故障影响	内核模块崩溃 → 系统宕机	服务崩溃 → 仅该功能不可用
代表系统	Linux, FreeBSD, Windows	QNX, Minix, seL4

内核模块加载/卸载

• 使用insmod命令加载

• 使用rmmod命令卸载

内核模块入口/出口

• module_init()：加载模块式该函数自动执行，进行初始化操作

• module_exit()：卸载模块时函数自动执行，进行清理操作

内核模块信息声明

• MODULE_LICENSE()：表示模块代码接受的软件许可协议，Linux内核遵循GPL V2开源协议，内核模块与linux内核保持一致即可。

• MODULE_AUTHOR()：描述模块的作者信息

• MODULE_DESCRIPTION()：对模块的简单介绍

• MODULE_ALIAS()：给模块设置一个别名

内核模块实验一

hellomoudle.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_EMERG "[ KERN_EMERG ]  Hello  Module Init\n");
    printk( "[ default ]  Hello  Module Init\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk("[ default ]   Hello  Module Exit\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

//MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("hello world module");
MODULE_ALIAS("test_module");

内核模块头文件

- #include <linux/module.h>：包含内核模块信息声明的相关函数
- #include <linux/init.h>：包含了 module_init()和 module_exit()函数的声明
- #include <linux/kernel.h>：包含内核提供的各种函数，如printk

内核模块打印函数

- printf：glibc实现的打印函数，工作于用户空间

- printk：内核模块无法使用glibc库函数，内核自身实现的一个类printf函数，但是需要指定打印等级。
  - \#define KERN_EMERG     "<0>" 通常是系统崩溃前的信息
  - #define KERN_ALERT          "<1>" 需要立即处理的消息
  - #define KERN_CRIT             "<2>" 严重情况
  - #define KERN_ERR              "<3>" 错误情况
  - #define KERN_WARNING   "<4>" 有问题的情况
  - #define KERN_NOTICE       "<5>" 注意信息
  - #define KERN_INFO            "<6>" 普通消息
  - #define KERN_DEBUG        "<7>" 调试信息

查看当前系统printk打印等级：`cat /proc/sys/kernel/printk`

- 当前控制台日志级别
- 默认消息日志级别
- 最小的控制台级别
- 默认控制台日志级别

打印内核所有打印信息：dmesg

- 内核log缓冲区大小有限制，缓冲区数据可能被冲掉

简单来说：printk 是内核输出日志的 “入口”，打印等级决定了哪些日志会被内核记录；dmesg 是读取这些已记录日志的 “出口”，我会用通俗的方式拆解它们的关联逻辑。

（日志体系理解）先理解 cat /proc/sys/kernel/printk 的输出含义

执行该命令会得到 4 个数字（示例：4 4 1 7），这 4 个数字是 printk 的核心规则，直接决定哪些日志会被记录：

表格

位置	含义	作用
第 1 个（console_loglevel）	控制台输出等级	只有「消息等级 < 该值」的日志会输出到终端（如串口 / 控制台）
第 2 个（default_message_loglevel）	默认消息等级	若 printk 未指定等级，消息会使用这个默认等级
第 3 个（minimum_console_loglevel）	最小控制台等级	控制台等级不能被设置得比这个更小
第 4 个（default_console_loglevel）	默认控制台等级	系统启动时的初始控制台等级

关键规则：内核仅会记录「消息等级 < console_loglevel」的日志到缓冲区（比如示例中 console_loglevel=4，那么等级 0-3 的日志会被记录，等级 4 及以上的不会）。

（日志体系理解）printk 等级如何影响 dmesg 能看到的内容

举个具体例子，帮你理解：假设你在内核模块中写了 3 行 printk 代码：

printk(KERN_ERR "这是错误消息（等级3）\n");    // 等级3
printk(KERN_WARNING "这是警告消息（等级4）\n");// 等级4
printk(KERN_INFO "这是普通消息（等级6）\n");   // 等级6

此时系统 printk 默认等级是 4 4 1 7（console_loglevel=4）：

• KERN_ERR（3）：3 < 4 → 写入内核日志缓冲区 → dmesg 能看到；
• KERN_WARNING（4）：4 不小于 4 → 不写入缓冲区 → dmesg 看不到；
• KERN_INFO（6）：6 不小于 4 → 不写入缓冲区 → dmesg 看不到。

makefile

KERNEL_DIR=../../ebf_linux_kernel/build_image/build

ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
export  ARCH  CROSS_COMPILE

obj-m := hellomodule.o
all:
	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules

.PHONE:clean copy

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) clean	

copy:
	sudo  cp  *.ko  /home/embedfire/workdir

Makefile分析

• KERNEL_DIR：指向linux内核具体路径

• export：导出变量给子Makefile使用

• obj-m := <模块名>.o：定义要生成的模块

• $(MAKE)：Makefile的默认变量，值为make

• 选项”-C”：让make工具跳转到linux内核目录下读取顶层Makefile

• M=：表示内核模块源码目录

• $(CURDIR)：Makefile默认变量，值为当前目录所在路径

• make modules：执行Linux顶层Makefile的伪目标，它实现内核模块的源码读取并编译为.ko文件

成功截图

内核模块实验二

模块参数

根据不同应用场合给内核模块传递不同参数，提高内核模块灵活性

• 定义一个常见变量

• 使用module_param宏把传参值赋给变量

module_param(name, type, perm)

• name：参数名

• type：参数类型，如int、byte、bool、charp...

• perm：读写权限

  • 不允许设置可执行权限

  • 在“/sys/module/模块名/parameters”目录下，会生成该参数对应的文件名

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

static int itype=0;
module_param(itype,int,0);

static bool btype=0;
module_param(btype,bool,0700);

static char ctype=0;
module_param(ctype,byte,0);

static char  *stype=0;
module_param(stype,charp,0644);

static int __init param_init(void)
{
   printk(KERN_ALERT "param init!\n");
   printk(KERN_ALERT "itype=%d\n",itype);
   printk(KERN_ALERT "btype=%d\n",btype);
   printk(KERN_ALERT "ctype=%d\n",ctype);
   printk(KERN_ALERT "stype=%s\n",stype);
   return 0;
}

static void __exit param_exit(void)
{
   printk(KERN_ALERT "module exit!\n");
}

EXPORT_SYMBOL(itype);

int my_add(int a, int b)
{
   return a+b;
}

EXPORT_SYMBOL(my_add);

int my_sub(int a, int b)
{
   return a-b;
}

EXPORT_SYMBOL(my_sub);

module_init(param_init);
module_exit(param_exit);

MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("module_param");
MODULE_ALIAS("module_param");

符号共享

内核模块可以共享导出的符号表

• 变量共享

• 函数共享

EXPORT_SYMBOL(sym)

• sym：变量名或者函数名

查看符号表

cat /proc/kallsyms | grep xxx

Makefile修改

• 有依赖关系的模块，放在一起进行编译

• clean伪目标增加清除共享文件夹指令

模块手动加载

• 加载时，必须先加载相关依赖模块

• 卸载时，顺序相反

在上面程序中，导出了一个变量和两个函数，导出的这些变量函数我们可以放到其他模块中进行声明和使用

calculation.h

#ifndef __CALCULATION_H__
#define __CALCULATION_H__

extern int itype;

int my_add(int a, int b);
int my_sub(int a, int b);

#endif

calculation.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

#include "calculation.h"

static int __init calculation_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "calculation  init!\n");
    printk(KERN_ALERT "itype+1 = %d, itype-1 = %d\n", my_add(itype,1), my_sub(itype,1));    
    return 0;
}

static void __exit calculation_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "calculation  exit!\n");
}


module_init(calculation_init);
module_exit(calculation_exit);

MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("calculation module");
MODULE_ALIAS("calculation_module");

由于要使用parametermodule.c导出的参数和变量，所以这里的calculation依赖parametermodule