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linux中引入模块机制的好处：1、应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他的清除工作，但是模块的退出函数却必须仔细此撤销初始化函数所作的一切；2、该机制有助于缩短模块的开发周期，即注册和卸载都很灵活方便。

Linux中引入模块机制有什么好处？

首先，模块是预先注册自己以便服务于将来的某个请求，然后他的初始化函数就立即结束。换句话说，模块初始化函数的任务就是为以后调用函数预先作准备。

好处：

• 1) 应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他的清除工作，但是模块的退出函数却必须仔细此撤销初始化函数所作的一切。

• 2) 该机制有助于缩短模块的开发周期。即：注册和卸载都很灵活方便。

Linux模块机制浅析

Linux允许用户通过插入模块，实现干预内核的目的。一直以来，对linux的模块机制都不够清晰，因此本文对内核模块的加载机制进行简单地分析。

模块的Hello World！

我们通过创建一个简单的模块进行测试。首先是源文件main.c和Makefile。

florian@florian-pc:~/module$ cat main.c

#include
#include

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为模块入口函数，在模块加载时被调用执行，exit为模块出口函数，在模块卸载被调用执行。

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 $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
#clean
clean:
   make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

其中，obj-m指定了目标文件的名称，文件名需要和源文件名相同（扩展名除外），以便于make自动推导。

然后使用make命令编译模块，得到模块文件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]: 正在进入目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'
 Building modules, stage 2.
 MODPOST 1 modules
make[1]:正在离开目录 `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'

使用insmod和rmmod命令对模块进行加载和卸载操作，并使用dmesg打印内核日志。

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!

通过内核日志信息，可以看出模块的入口函数和出口函数都被正确调用执行。

模块文件

使用readelf命令查看一下模块文件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

我们发现main.ko的文件类型为可重定位目标文件，这和一般的目标文件格式没有任何区别。我们知道，目标文件是不能直接执行的，它需要经过链接器的地址空间分配、符号解析和重定位的过程，转化为可执行文件才能执行。

那么，内核将main.ko加载后，是否对其进行了链接呢？

模块数据结构

首先，我们了解一下模块的内核数据结构。

linux3.5.2/kernel/module.h:220

struct module
{
   ……
   /* Startup function. */
   int (*init)(void);
   ……
   /* Destruction function. */
   void (*exit)(void);
   ……
};

模块数据结构的init和exit函数指针记录了我们定义的模块入口函数和出口函数。

模块加载

模块加载由内核的系统调用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);//模块加载
   ……
   /* Start the module */
   if (mod->init != NULL)
      ret = do_one_initcall(mod->init);//模块init函数调用
   ……
   return 0;
}

系统调用init_module由SYSCALL_DEFINE3(init_module...)实现，其中有两个关键的函数调用。load_module用于模块加载，do_one_initcall用于回调模块的init函数。

函数load_module的实现为。

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);//拷贝到内核
   if (err)
      return ERR_PTR(err);
   /* Figure out module layout, and allocate all the memory. */
   mod = layout_and_allocate(&info);//地址空间分配
   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);//符号解析
   if (err < 0)
      goto free_modinfo;
   err = apply_relocations(mod, &info);//重定位
   if (err < 0)
      goto free_modinfo;
   ……
}

函数load_module内有四个关键的函数调用。copy_and_check将模块从用户空间拷贝到内核空间，layout_and_allocate为模块进行地址空间分配，simplify_symbols为模块进行符号解析，apply_relocations为模块进行重定位。

由此可见，模块加载时，内核为模块文件main.ko进行了链接的过程！

至于函数do_one_initcall的实现就比较简单了。

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();//调用init module
   ……
   return ret;
}

即调用了模块的入口函数init。

模块卸载

模块卸载由内核的系统调用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();//调用exit module
   ……
   free_module(mod);//卸载模块
   ……
}

通过回调exit完成模块的出口函数功能，最后调用free_module将模块卸载。

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