Linux内核模块使用指南

　　作者：sss
　　
　　一、模块简介
　　
　　Windows NT是一种微内核的结构，其内核的功能块被划分成独立的模块，在这些功能块之间有严格的通信机制；而Linux则不同，它是一种monolithic（单一大块）结构，也就是说，整个内核是一个单独的、非常大的程序。在这种结构中，部件的添加和删除都相当麻烦，需要重新编译内核。为了解决这个问题，不知道从哪个版本的内核开始，Linux引入了一种称为module（模块）的技术，可以把某些功能代码作为模块动态装载到内核中使用。
　　
　　模块是一种目标对象文件，需要在内核空间执行，可以把它看作是一组已经编译好而且已经链接成可执行文件的程序。在需要的时候，内核就会实用某种方法调用这些程序来执行特定的操作，实现特定的功能。内核在内核符号表中维护了一个模块的链表，每个符号表对应一个模块，在把模块加载进内核时正确地对其进行解释，并将模块作为内核的一部分来执行；加载进内核中的模块具有所有的内核权限。模块可以在系统启动时加载到系统中，也可以在系统运行的任何时刻加载；在不需要时，可以将模块动态卸载。这样就不用每次修改系统的配置时都要重新编译内核了。
　　
　　二、模块的优缺点
　　
　　内核模块的这种动态装载特性具有以下的优点：
　　1、可以把内核映像文件保持在最小。在编译内核时可以选择把一部分内容当成模块进行编译，这样在最终生成的内核映像文件中就可以不包含这部分内容，从而生成最小的内核映像文件。
　　2、灵活性好。如果需要实用新的模块，不必重新编译内核，只要把新的模块编译后装载进系统中就可以了。如果对内核源程序进行了修改，也不需要重新编译整个内核，只需要修改对应的部分就可以了。
　　
　　但是，内核模块的引入也带来了一些问题：
　　1、这种动态加载的特性不利于系统的性能和内存的利用，会带来负面的影响。
　　2、装入内核的模块和其他内核部分一样具有最高的权限，使用不当就可能引起系统的崩溃。
　　3、内核版本和模块版本的不兼容也会导致系统的崩溃，因此必须进行严格的版本检查，这样就使模块的编写变得更加复杂了。
　　4、有些模块要使用其他模块（例如VFAT就要使用FAT）的内容，模块之间存在一定的依赖关系，这样模块的实用就复杂化了。
　　
　　由于模块的这种动态装载/卸载的特性，在Linux中大部分设备驱动程序都是使用模块来编写的，例如文件系统（minix、msdos、isofs、smbms、nfs、proc等等）、SCSI设备驱动程序、以太网驱动程序、CD-ROM驱动程序等等。下面让我们介绍一下模块的使用方法。
　　
　　三、模块的使用
　　
　　1、模块的查询
　　
　　我们可以使用lsmod命令来了解系统中现在装载进来了哪些模块。例如，在笔者机器上执行的结果为（注意，以下介绍的这些命令（包括lsmod）只有超级用户才可以执行）：
　　
　　Module Size Used by
　　lockd 30344 1 (autoclean)
　　sunrpc 52132 1 (autoclean) [lockd]
　　rtl8139 11748 1 (autoclean)
　　
　　其中Module列是模块的名字，Size是显示的模块的大小，Used by列表示引用次数，圆括号中的autoclean表示该模块可以在空闲时自动卸载，中括号中的[lockd]表示模块lockd会引用sunrpc模块的内容。
　　
　　
　　2、模块的装载
　　
　　模块的装载有两种方法：一种是实用insmod命令手工加载模块，第二种方法是使用内核守护进程kerneld在需要的时候动态装载。insmod命令的格式为：
　　
　　insmod //modulename.o
　　
　　值得注意的是，insmod命令需要知道模块存放的位置，这样才能在内核符号表中进行解析。模块可以位于当前路径中，也可以在insmod命令中指明绝对路径，另外还有几个相关的配置文件可以说明模块的位置（见后文中的介绍）。
　　
　　kerneld是一个标准的守护进程，具有超级用户的权限，其主要功能是加载和卸载核心模块, 但是它还可以执行其他任务, 如通过串行线路建立PPP连接并在适当时候关闭它。kerneld自身并不执行这些任务，它通过某些程序如insmod来做此工作。它只是内核的代理，为内核进行调度。这个守护进程仅仅是一个带有超级用户权限的普通用户进程。当系统启动时它也被启动并为内核打开了一个进程间通讯（IPC）通道，内核需要执行各种任务时就实用这个IPC来向kerneld发送消息。例如，如果内核请求现在还没有装载到系统中的文件系统，那么就通知kerneld装载这个文件系统，然后内核就可以使用这个文件系统了。在模块空闲时（即没有其他进程使用这个模块时），kerneld还可以动态卸载这个模块。
　　
　　需要注意的是，如果模块之间有某种引用关系，那么装载模块时必须遵循一定的次序。例如，上面lsmod显示的结果中lockd模块要引用sunrpc的内容，那么必须首先装载sunrpc之后才能装载lockd，否则就会出错。
　　
　　
　　3、模块的卸载
　　
　　我们可以使用rmmod命令把模块从系统中卸载出去，该命令的格式为：
　　
　　rmmod modulename
　　
　　需要注意的是，模块只有在空闲时才能够从系统中卸载出去。lsmod输出结果中的Used by一列就说明了模块当前的状态。如果该值不为0，说明模块正忙，不能卸载；否则该值为0，说明模块空闲，可以从系统中卸载出去。对于繁忙的设备，我们首先得断开对应设备的连接，然后才能删除对应的模块。例如，我们要卸载模块rtl8139（这个模块是笔者机器中rtl8139的以太网卡对应的模块），我们首先要断开网络连接：
　　
　　ifdown eth0 /* eth0是笔者机器中的第一块网卡*/
　　
　　现在再执行lsmod命令的输出结果为：
　　
　　Module Size Used by
　　lockd 30344 1 (autoclean)
　　sunrpc 52132 1 (autoclean) [lockd]
　　rtl8139 11748 0 (autoclean)
　　
　　说明已经没有设备再使用rtl8139了，我们可以使用
　　
　　rmmod rtl8139
　　
　　命令将其从系统中卸载出去。
　　
　　标志为autoclean（见有关lsmod的介绍）的模块可以自动卸载。前面我们已经提到，模块之间可能会有引用关系。如果A模块引用了B模块的内容，那么必须先装载B模块之后才能成功装载A模块；在卸载B模块之前也要首先卸载A模块，否则就会导致系统的崩溃（当然，如果模块源程序编写的正确，在卸载A模块之前，B模块是无法卸载的）。
　　
　　4、模块实用工具
　　
　　以上我们介绍的lsmod、insmod、rmmod是一组实用工具所提供的三个命令，这组实用工具一般是和内核版本对应的，其1.3.57版本名为modules（modules-1.3.57.tar.gz），高一点的版本名为modutils（例如modutils-2.4.2.tar.gz）。最好保证你的系统中的模块实用工具的版本号（可以使用modinfo -V命令来查看）不低于内核版本号（可以使用uname -r来查看）。1.3.57版本的modules内容包括modprobe、depmod、genksyms、makecrc32、insmod、rmmod、lsmod、ksyms、kerneld等命令。其中modprobe和insmod命令类似，不过它要依赖于相关的配置文件；depmod用于生成模块依赖文件/lib/modules/kernel-version/modules.dep；genksyms和ksyms与内核函数的版本号有关（由于内核的不断更新，各个版本的内核函数各有不同，为了不会引起系统的崩溃，内核源程序中要对内核函数的版本号进行严格地控制）。在以后版本的实用工具中，使用kmod来取代了kerneld。kmod的功能和kerneld类似，但是它不能自动卸载模块。之所以采用kmod的原因在于kerneld是使用IPC通道实现的，相当于多经过了一层处理，另外kerneld的代码也比较复杂，kmod的代码数量也比kerneld少得多。
　　
　　
　　5、与模块有关的内核编译选项和过程
　　
　　在使用make confing / make menuconfig / make xconfig对内核进行配置时，和模块有关的选项有：
　　Code maturity level options -->
　　Prompt for development and/or incomplete code/drivers
　　此选项为代码的成熟程度。所有新的设计与改进都首先在开发版（版本号为x.y.z，其中y是奇数）中试用，经过验证技术可行之后再在稳定版（版本号为x.y.z，其中y是偶数）中正式引入。尚不成熟或不完善的技术在默认的情况中是不会编译到内核中的，如果你希望试验这些内容（例如2.4.*版本中的khttpd、IPV6等），就要选中这个选项。
　　>
　　Loadable module support -->
　　Enable module support
　　Set version information on all module symbols
　　Kernel module loader
　　此选项是对可装载内核的支持以及对模块符号的版本号、内核模块装载程序支持的选项。对于其他大部分选项来说，你可以将相应的代码编译到内核中（使用build-in方式），也可以将他们编译成模块（使用module）方式。
　　
　　如果你选用了模块方式，那么在编译内核的过程中，你除了要使用
　　
　　make; make install
　　
　　命令来编译/安装内核之外，还要使用
　　
　　make modules; make modules_install
　　
　　来编译/安装内核模块。编译好的模块被安装到/lib/modules/kernel-version/目录中。
　　
　　编译过程中还要运行一个
　　
　　depmod -a
　　
　　命令。这个命令生成模块依赖文件，也就是/lib/modules/kernel-version/modules.dep，该文件格式为：
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/autofs.o:
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/binfmt_aout.o:
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/binfmt_java.o:
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/binfmt_misc.o:
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/coda.o:
　　
　　/lib/modules/2.2.14-5.0/fs/fa