Linux内核品读 /基础组件/ 模块机制快速入门
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2020-09-20 01:33
哈喽，我是杰克吴，继续记录我的学习心得。
一、关于兴趣的几点思考
1. 享受不是兴趣，愿意付出才是：
兴趣很容易跟享受混淆。享受是被动的，无需付出；而兴趣则要求你甘愿为了这件事情付出努力。
2.任何事情，接触皮毛的时候不要谈兴趣：
在我开始公众号写文章之前，只是粗浅地觉得这个事不难我可以尝试一下，而事实上，持续写作的难度和意义超乎大多数人的想象。
任何事情，先做到 60 分，再谈是否喜欢。
3. 兴趣和爱好不太一样：
区别在于你是否需要且愿意通过刻意练习以收获这个兴趣，以及这件事是否能给你带来持续的成就感。
吃喝玩乐(旅游，逛街，买买买)是爱好，不是兴趣。纯粹的看电影是爱好，但是认真地写影评(经历了思考与分享)则算是兴趣。表面看上去都是同一件事，但是不同人会发展成不一样的结果。
最开始时可能只是爱好，但是随着你的持续思考和投入，可能会发展为你的理想职业。
4. 兴趣可以带有功利性：
那些看似功利的标准(例如高考、面试)，存在很多偏差的部分，但不可否认，在绝大多数情况下，它们提供了较为高效和正确的努力方向。
把自己热爱的事情用来挣钱，非常好。只凭自己的兴致去做，确实会有更多愉悦，但这也是最廉价、最轻易的喜欢了，问题是，你很难真正做得好。你真的喜欢这个事，你会主动争取做好，赢得市场才会给你带来更长久的愉悦感。
二、模块机制快速入门 (1)
目录：
1. 内核模块的使用
2. 内核模块的文件格式
3. EXPORT_SYMBOL 是如何实现符号导出的？
4. 相关参考
基于 Linux-4.14 + Arm-v7。
1. 内核模块的使用
最简单的内核模块：
#include
#include
static char *name = "embedded hacker";
module_param(name, charp, S_IRUGO); // 指定模块可以接收的参数
static void print_hello(void)
{
printk(KERN_INFO "Hello World, %s\n", name);
}
static int __init hello_init(void)
{
printk(KERN_INFO "Hello World init\n");
print_hello();
return 0;
}
module_init(hello_init);
static void __exit hello_exit(void)
{
printk(KERN_INFO "Hello World exit\n ");
}
module_exit(hello_exit);
EXPORT_SYMBOL(print_hello); // 导出符号 print_hello
MODULE_AUTHOR("es-hacker"); // 指定作者
MODULE_LICENSE("GPL v2"); // 指定 license
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module"); // 指定模块的描述信息
MODULE_ALIAS("a simplest module"); // 指定模块的别名
运行效果：
$ insmod hello.ko // 加载模块
Hello World init // 加载模块时，module_init() 里的函数被调用
Hello World, embedded hacker
$ rmmod hello // 卸载模块
Hello World exit // 卸载模块时，module_exit() 里的函数被调用
$ insmod hello.ko name=Jack // 指定模块参数
Hello World init
Hello World, Jack
$ rmmod hello
Hello World exit
到此，内核模块的使用方法就介绍完毕了，非常简单易用。
接下来是痛苦的部分：探索一下背后的实现机制。
2. 内核模块的文件格式
可以用 file 命令确定一个文件的格式：
$ file hello.ko
hello.ko: ELF 32-bit LSB relocatable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), BuildID[sha1]=2feb2cb1328c0a9113658d6e90ac20d7e4c56384, not stripped
内核模块的格式为 ELF ( Executable and Linkable Format ):
目前不需要全面了解 ELF 文件格式的所有技术细节，只需要结合 Linux 源码中定义的 ELF 相关数据结构，简单了解一下 ELF 的构造即可。
静态的 ELF 文件视图总体上可分为 3 部分：
头部的 ELF header;
中间的 Section;
尾部的 Section header table
1) ELF header 部分：
作用：描述整个 ELF 文件。
组成：Linux 内核里的数据结构定义如下，注释部分为内核模块机制相关的的成员。
typedef struct elf32_hdr{
unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
/* 文件类型 */
Elf32_Half e_type;
Elf32_Half e_machine;
Elf32_Word e_version;
/* Entry point */
Elf32_Addr e_entry;
Elf32_Off e_phoff;
/* Section header table 在文件中的偏移量 */
Elf32_Off e_shoff;
Elf32_Word e_flags;
Elf32_Half e_ehsize;
Elf32_Half e_phentsize;
Elf32_Half e_phnum;
/* Section header table 中 entry 的大小 */
Elf32_Half e_shentsize;
/* Section header table 中有多少个 entry */
Elf32_Half e_shnum;
Elf32_Half e_shstrndx;
} Elf32_Ehdr;
实践：
$ # readelf hello.ko -h # [-h|--file-header]
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: ARM
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 59648 (bytes into file)
Flags: 0x5000000, Version5 EABI
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: 52
Section header string table index: 51
2) Section 部分：
作用：对应人们常说的各种数据段、代码段等，术语是 section。
组成：ELF 文件的主体，位于文件视图中间部分的一个连续区域中。但是当模块被内核加载时，会根据各自属性被重新分配到新的内存区域。
3) Section header table 部分：
作用：每一个条目(术语叫 entry) 就是一个 Section header，负责描述 Section;
组成：由若干个 Section header entry 组成，Linux 内核里的数据结构定义如下 (注释部分为内核模块机制相关的的成员)：
typedef struct elf32_shdr {
Elf32_Word sh_name;
Elf32_Word sh_type;
Elf32_Word sh_flags;
/* 对应的 section 在内存中的实际地址。初始值为0，当模块被内核加载时，会被修改为 section 在内存中的实际地址 */
Elf32_Addr sh_addr;
/* section 在文件视图中的偏移量 */
Elf32_Off sh_offset;
/* section 在文件视图中的大小 */
Elf32_Word sh_size;
Elf32_Word sh_link;
Elf32_Word sh_info;
Elf32_Word sh_addralign;
Elf32_Word sh_entsize;
} Elf32_Shdr;
实践：
$ readelf hello.ko -S # [-S|--section-headers|--sections]
There are 52 section headers, starting at offset 0xe900:
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] .note.gnu.build-i NOTE 00000000 000034 000024 00 A 0 0 4
[ 2] .text PROGBITS 00000000 000058 000000 00 AX 0 0 1
[...]
[ 5] .init.text PROGBITS 00000000 000070 00001c 00 AX 0 0 4
[...]
[ 7] .exit.text PROGBITS 00000000 00008c 00000c 00 AX 0 0 4
[...]
[ 9] __ksymtab PROGBITS 00000000 000098 000008 00 A 0 0 4
[...]
[25] __ksymtab_strings PROGBITS 00000000 0001f1 00000c 00 A 0 0 1
[26] __param PROGBITS 00000000 000200 000014 00 A 0 0 4
[27] .rel__param REL 00000000 00b9e4 000020 08 I 49 26 4
[28] __versions PROGBITS 00000000 000214 000100 00 A 0 0 4
[29] .data PROGBITS 00000000 000314 000004 00 WA 0 0 4
[...]
[48] .ARM.attributes ARM_ATTRIBUTES 00000000 00b21a 000031 00 0 0 1
[49] .symtab SYMTAB 00000000 00b24c 000520 10 50 75 4
[50] .strtab STRTAB 00000000 00b76c 0001cd 00 0 0 1
[51] .shstrtab STRTAB 00000000 00e6e4 00021b 00 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)
这里只截取模块加载相关的部分 section header，现在有个初步印象就好，后续使用到了相关的 secition header，再做进一步的研究分析。
内核模块自身并不会使用到上述数据结构 (elf32_hdr、elf32_shdr)，它们是给内核模块加载器在加载模块时使用的。
3. EXPORT_SYMBOL() 是如何实现符号导出的？
EXPORT_SYMBOL() 系列宏用来向外界导出一个符号。内核和内核模块通过符号表的形式向外部世界导出符号的相关信息。
为什么要导出符号？
如果没有独立存在的内核模块，作为单一的 Linux 内核映像，就没必要导出符号了。对于静态编译链接而成的内核映像而言，所有的符号引用都会在静态链接阶段完成。
有了内核模块之后，独立编译链接的内核模块要使用到内核提供的基础设施（即调用内核函数，例如 printk）的话，就必须要解决符号引用问题 (unresolved symbol)。
可以用
nm命令来查看一个模块中出现的未定义符号：
$ nm hello.o -u # [-u|--undefined-only]
U __aeabi_unwind_cpp_pr0
U param_ops_charp
U printk
U __this_module
处理 unresolved symbol 问题的本质是在模块加载期间找到该符号在内存中的实际地址。
从全局上看，EXPORT_SYMBOL 的完整实现包括 3 部分:
EXPORT_SYMBOL 的定义部分
链接脚本链接器部分
使用导出符号部分
EXPORT_SYMBOL 的定义:
// include/linux/export.h
#define EXPORT_SYMBOL(sym) __EXPORT_SYMBOL(sym, "")
/* For every exported symbol, place a struct in the __ksymtab section */
#define ___EXPORT_SYMBOL(sym, sec) \
extern typeof(sym) sym; \
__CRC_SYMBOL(sym, sec) \
static const char __kstrtab_##sym[] \
__attribute__((section("__ksymtab_strings"), aligned(1))) \
= VMLINUX_SYMBOL_STR(sym); \
static const struct kernel_symbol __ksymtab_##sym \
__used \
__attribute__((section("___ksymtab" sec "+" #sym), used)) \
= { (unsigned long)&sym, __kstrtab_##sym }
以 hello.ko 为例，EXPORT_SYMBOL(print_hello) 本质上就是定义了 2 个变量：
static const char __kstrtab_print_hello[] = "print_hello"
static const struct kernel_symbol __ksymtab_print_hello = {
(unsigned long)&print_hello,
__kstrtab_print_hello,
};
变量1: char []
用于保存符号名; 被放置在名为 "__ksymtab_strings" 的 section 中; 变量2: struct kernel_symbol
用于保存符号名与地址; 被放置在名为 "___ksymtab+print_hello" 的 section 中;
根据 scripts/module-common.lds 里的定义：
SECTIONS {
[...]
__ksymtab 0 : { *(SORT(___ksymtab+*)) }
[...]
}
"___ksymtab+print_hello" 会被转换为 "__ksymtab"，这样就跟我们用 readelf hello.ko -S 查看到的 section 对应上了。
为了让内核可以通过上述 __ksymtab section 找到被导出的符号，链接器必须导出 section 的地址：
include/asm-generic/vmlinux.lds.h
/* Kernel symbol table: Normal symbols */ \
__ksymtab : AT(ADDR(__ksymtab) - LOAD_OFFSET) { \
VMLINUX_SYMBOL(__start___ksymtab) = .; \
KEEP(*(SORT(___ksymtab+*))) \
VMLINUX_SYMBOL(__stop___ksymtab) = .; \
}
/* Kernel symbol table: strings */ \
__ksymtab_strings : AT(ADDR(__ksymtab_strings) - LOAD_OFFSET) { \
*(__ksymtab_strings) \
}
在 kernel/module.c 中，可以看到下列声明：
/* Provided by the linker */
extern const struct kernel_symbol __start___ksymtab[];
extern const struct kernel_symbol __stop___ksymtab[];
[...]
这些变量会在内核或者内核模块查找某个符号时被使用。
EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 导出符号的可见性：
从这里开始重头戏模块加载的分析了，鉴于大多数人的注意力无法在一篇文章里上集中太久，更多的内容将放在后面的文章里。建议大家可以先自行阅读相关书籍，不是自己理解到的东西是消化不了的。
4. 相关参考
Linux 设备驱动开发详解，第 4 章节
深入 Linux 设备驱动程序内核机制，第 1 章节
深入 Linux 内核架构，第 7 章节
深入理解 Linux 内核，第20 章节、附录2
5. 更多值得关注的知识点
模块的加载
模块的参数传递机制
模块之间的依赖关系
模块中的版本控制机制
...
三、思考技术，也思考人生
要学习技术，更要学习如何生活。
你和我各有一个苹果，如果我们交换苹果的话，我们还是只有一个苹果。但当你和我各有一个想法，我们交换想法的话，我们就都有两个想法了。
