3.1. 模块与程序

3.1.1. 模块如何开始和结束

程序通常以main()函数开始，执行一系列指令，并在这些指令完成后终止。内核模块的工作方式略有不同。模块总是以init_module或者您使用module_init调用的函数开始。这是模块的入口函数；它告诉内核模块提供的功能，并设置内核在需要时运行模块的函数。完成此操作后，入口函数返回，模块不执行任何操作，直到内核想要使用模块提供的代码执行某些操作为止。

所有模块都通过调用cleanup_module或者您使用module_exit调用的函数结束。这是模块的退出函数；它撤消入口函数所做的一切。它注销入口函数注册的功能。

每个模块都必须有一个入口函数和一个退出函数。由于指定入口和退出函数的方式不止一种，我会尽力使用术语“入口函数”和“退出函数”，但如果我不小心只是将它们称为init_module和cleanup_module, 我想您会明白我的意思。

3.1.2. 模块可用的函数

程序员经常使用他们没有定义的函数。一个主要的例子是printf()。您使用由标准 C 库 libc 提供的这些库函数。这些函数的定义实际上不会进入您的程序，直到链接阶段，这确保了代码（例如printf()）可用，并修复了指向该代码的调用指令。

内核模块在这方面也有所不同。在 hello world 示例中，您可能已经注意到我们使用了函数printk()，但没有包含标准 I/O 库。这是因为模块是对象文件，其符号在 insmod 时得到解析。符号的定义来自内核本身；您唯一可以使用的外部函数是内核提供的函数。如果您对内核导出了哪些符号感到好奇，请查看/proc/ksyms.

需要记住的一点是库函数和系统调用之间的区别。库函数是更高级的函数，完全在用户空间中运行，并为程序员提供更方便的接口来执行实际工作的函数---系统调用。系统调用以用户身份在内核模式下运行，由内核本身提供。库函数printf()可能看起来像一个非常通用的打印函数，但它实际上所做的只是将数据格式化为字符串，并使用底层系统调用write()写入字符串数据，然后将数据发送到标准输出。

您想看看printf()发出了哪些系统调用吗？很简单！使用 gcc -Wall -o hello hello.c 编译以下程序

    #include <stdio.h>
    int main(void)
    { printf("hello"); return 0; }
				

。使用 strace hello 运行可执行文件。您感到惊讶吗？您看到的每一行都对应于一个系统调用。 strace[1] 是一个方便的程序，可以为您提供有关程序正在进行的系统调用的详细信息，包括进行了哪个调用、它的参数是什么以及它返回什么。它是一个非常宝贵的工具，可以用来确定程序尝试访问哪些文件。在末尾附近，您会看到一行看起来像write(1, "hello", 5hello)。就在那里。在printf()面具背后的脸。您可能不熟悉 write，因为大多数人使用库函数进行文件 I/O（例如 fopen、fputs、fclose）。如果是这种情况，请尝试查看 man 2 write。第 2 个 man 节专门介绍系统调用（例如kill()和read()）。第 3 个 man 节专门介绍库调用，您可能更熟悉这些调用（例如cosh()和random()).

您甚至可以编写模块来替换内核的系统调用，我们稍后会这样做。黑客经常利用这种东西来设置后门或木马，但您可以编写自己的模块来做更良性的事情，例如让内核在有人尝试删除您系统上的文件时写入 Tee hee, that tickles! 。

3.1.3. 用户空间与内核空间

内核是关于访问资源的，无论所讨论的资源是显卡、硬盘驱动器还是内存。程序经常争夺相同的资源。正如我刚刚保存此文档一样，updatedb 开始更新 locate 数据库。我的 vim 会话和 updatedb 同时使用硬盘驱动器。内核需要保持有序，并且不允许用户随时访问资源。为此，CPU 可以在不同的模式下运行。每种模式都提供不同级别的自由度，让您在系统上做您想做的事情。 Intel 80386 架构有 4 种这样的模式，称为环。 Unix 仅使用两个环；最高的环（环 0，也称为“超级用户模式”，其中允许发生一切）和最低的环，称为“用户模式”。

回想一下关于库函数与系统调用的讨论。通常，您在用户模式下使用库函数。库函数调用一个或多个系统调用，这些系统调用代表库函数执行，但由于它们是内核本身的一部分，因此在超级用户模式下执行。一旦系统调用完成其任务，它就会返回，并且执行会转移回用户模式。

3.1.4. 命名空间

当您编写一个小的 C 程序时，您使用方便且对读者有意义的变量。另一方面，如果您正在编写将成为更大问题一部分的例程，那么您拥有的任何全局变量都是其他人全局变量社区的一部分；某些变量名可能会冲突。当程序有大量全局变量，但这些变量的含义不足以区分时，就会发生命名空间污染。在大型项目中，必须努力记住保留名称，并找到开发一种命名唯一变量名和符号的方案的方法。

在编写内核代码时，即使是最小的模块也会与整个内核链接，因此这绝对是一个问题。处理此问题的最佳方法是将所有变量声明为 static，并为您的符号使用定义良好的前缀。按照惯例，所有内核前缀都是小写的。如果您不想将所有内容声明为 static，则另一个选项是声明一个符号表并将其注册到内核。我们稍后会讲到这一点。

文件/proc/ksyms包含内核知道的所有符号，因此您的模块可以访问这些符号，因为它们共享内核的代码空间。

3.1.5. 代码空间

内存管理是一个非常复杂的主题---O'Reilly 的《理解 Linux 内核》的大部分内容都只是关于内存管理！我们并不是要成为内存管理方面的专家，但我们确实需要了解一些事实，才能开始担心编写真正的模块。

如果您还没有想过段错误真正意味着什么，您可能会惊讶地听到指针实际上并不指向内存位置。无论如何，不是真正的。创建进程时，内核会预留一部分实际物理内存，并将其交给进程以用于其执行代码、变量、堆栈、堆以及计算机科学家会知道的其他内容[2]。此内存以 $0$ 开头，并扩展到所需的任何大小。由于任何两个进程的内存空间都不会重叠，因此每个可以访问内存地址的进程，例如0xbffff978，都将访问实际物理内存中的不同位置！这些进程将访问名为0xbffff978的索引，该索引指向为该特定进程预留的内存区域中的某种偏移量。在大多数情况下，像我们的 Hello, World 程序这样的进程无法访问另一个进程的空间，尽管有一些方法我们稍后会讨论。

内核也有自己的内存空间。由于模块是可以动态插入和删除到内核中的代码（与半自主对象相反），因此它共享内核的代码空间，而不是拥有自己的代码空间。因此，如果您的模块发生段错误，则内核也会发生段错误。如果您因为差一错误而开始覆盖数据，那么您就是在践踏内核代码。这比听起来更糟糕，所以尽量小心。

顺便说一句，我想指出，上述讨论适用于使用单内核的任何操作系统[3]。有一些称为微内核的东西，它们的模块可以获得自己的代码空间。 GNU Hurd 和 QNX Neutrino 是微内核的两个示例。

3.1.6. 设备驱动程序

模块的一类是设备驱动程序，它为硬件（如电视卡或串行端口）提供功能。在 unix 上，每个硬件都由位于/dev中的文件表示，该文件被命名为设备文件，它提供了与硬件通信的手段。设备驱动程序代表用户程序提供通信。所以es1370.o声卡设备驱动程序可能会将/dev/sound设备文件连接到 Ensoniq IS1370 声卡。像 mp3blaster 这样的用户空间程序可以使用/dev/sound，而无需知道安装了哪种声卡。

    # ls -l /dev/hda[1-3]
    brw-rw----  1 root  disk  3, 1 Jul  5  2000 /dev/hda1
    brw-rw----  1 root  disk  3, 2 Jul  5  2000 /dev/hda2
    brw-rw----  1 root  disk  3, 3 Jul  5  2000 /dev/hda3
					

    crw-rw----  1 root  dial 4, 64 Feb 18 23:34 /dev/ttyS0
    crw-r-----  1 root  dial 4, 65 Nov 17 10:26 /dev/ttyS1
    crw-rw----  1 root  dial 4, 66 Jul  5  2000 /dev/ttyS2
    crw-rw----  1 root  dial 4, 67 Jul  5  2000 /dev/ttyS3
					

    % ls -l /dev/fd0 /dev/fd0u1680
    brwxrwxrwx   1 root  floppy   2,  0 Jul  5  2000 /dev/fd0
    brw-rw----   1 root  floppy   2, 44 Jul  5  2000 /dev/fd0u1680