探究Linux内核模块的奥秘

Linux操作系统中，内核是最核心的部分，它控制着计算机硬件和软件的交互。而内核模块则是内核中的一个重要概念，它可以在运行时被动态加载到内核中，从而扩展内核的功能。在本文中，我们将深入探究Linux内核模块的工作原理和构成，并介绍如何编写自己的内核模块。

Linux内核模块化设计

1. Linux内核设计：单内核、模块化(动态装载和卸载)

(1) Linux：单内核设计，但充分借鉴了微内核体系的设计的优点；为内核引入了模块化机制；
(2) 内核的组成部分：
kernel：内核核心，一般为bzImage格式，通常位于/boot目录，名称为vmlinuz-VERSION-release；
当系统启动之后该文件就不在使用，因为已经加载到内存，放置/boot下方便管理
kernel object：内核模块，一般放置于/lib/modules/VERSION-release/
内核模块与内核核心版本一定要严格匹配；

2.内核模块：编译选择模式

[ ]：N，不编译此部分
[M]：Module ，以模块化编译，可以临时装载，占用磁盘空间，不占用内核空间
[*]：Y，编译进内核核心，可以直接调用

3.ramdisk：辅助性文件，并非必须，取决于内核是否能直接驱动rootfs所在的设备

ramdisk：一个简装版的根文件系统，可提供的驱动如下：
目标设备驱动，例如SCSI设备的驱动；
逻辑设备驱动，例如LVM设备的驱动；
文件系统，例如xfs文件系统；

内核模块信息获取和管理命令

1.ldd：打印二进制应用程序所依赖的库文件-print shared library dependencies

格式：ldd [OPTION]… FILE…
显示：
\1) 所依赖库文件名称 => 所依赖 库文件路径 (对应内存载入符号链接映射指向)
\2) 整个系统调用库的入口

linux-vdso.so.1 => (0x00007fff293fe000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f0228073000)

2.uname：内核信息获取 -print system information

格式：uname [OPTION]…
uname -a：显示内核所有信息
uname -v：内核的编译版本号
uname -r：内核的release发行号
uname -n：主机名

3.lsmod：列出内核模块

显示的内核来自于/proc/modules
模块名，大小，被引用的次数、被什么引用

4.modinfo命令：显示指定的模块的详细信息

格式：modinfo [-F field] [-k kernel] [modulename|filename…] -k kernel：多内核并存时若要查询另外一个kernel上的模块信息
-F field： 仅显示指定字段的信息；
-n：显示文件路径；
通过读取/lib/modules/#######/*文件的原数据来显示相关信息

显示内容：文件名、协议、描述、作者、别名、适用于RHEL版本号、依赖的模块、签名单位、签名、加密算法

5.modprobe：实现模块的装载和卸载，同时会挂载依赖的模块

格式：modprobe [-r] module_name
模块的动态装载：modprobe module_name
动态卸载：modprobe -r module_name
注意：默认被装载的模块不要随意卸载

6.depmod：- Generate modules.dep and map files

内核模块依赖关系文件和系统信息映射文件的生成工具；

7.insmod、rmmod：模块的装载和卸载，不能自动解决模块依赖关系

insmod [filename] [module options…] filename：模块文件的文件路径；
rmmod [module_name]

ramdisk文件的管理

1.mkinitrd(CentOS 5)：为当前使用中的内核重新制作ramdisk文件

# mkinitrd [OPTION…] [] –with=：除了默认的模块之外需要装载至initramfs中的模块；
–preload=：initramfs所提供的模块需要预先装载的模块；
示例： ~]# mkinitrd /boot/initramfs-(uname -r)

2.dracut(CentOS 6/7 , 兼容5)： – low-level tool for generating an initramfs image

# dracut [OPTION…] [ []] 示例： ~]# dracut /boot/initramfs-(uname -r)

内核信息输出伪文件系统

1./proc：内核状态和统计信息的输出接口；还提供一个配置接口，/proc/sys

(1)参数：
只读：信息输出；例如/proc/#/,进程相关信息

可写：可接受用户指定一个“新值”来实现对内核某功能或特性的配置；/proc/sys/
格式： /proc/sys: net/ipv4/ip_forward 相当于 net.ipv4.ip_forward

(2)修改参数方式
\1) sysctl命令
专用于查看或设定/proc/sys目录下参数的值； sysctl [options] [variable[=value]] 查看：# sysctl -a；# sysctl variable
修改其值：# sysctl -w variable=value
\2) 文件系统命令（cat, echo)
查看：# cat /proc/sys/PATH/TO/SOME_KERNEL_FILE
设定：# echo “VALUE” > /proc/sys/PATH/TO/SOME_KERNEL_FILE
\3) 配置文件：/etc/sysctl.conf, /etc/sysctl.d/.conf
立即生效的方式：sysctl -p [/PATH/TO/CONFIG_FILE]

(3)重要的内核参数
net.ipv4.ip_forward：核心转发；
vm.drop_caches：
kernel.hostname：主机名；
net.ipv4.icmp_echo_ignore_all：忽略所有ping操作；

2./sys目录：Kernel 2.6版本后引入

sys文件系统：输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内核对硬件特性的可设置参数；
对此些参数的修改，即可定制硬件设备工作特性；

udev：通过读取/sys目录下的硬件设备信息按需为各硬件设备创建设备文件；
udev是用户空间程序；专用工具：devadmin, hotplug；
udev为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件
一般在/etc/udev/rules.d/目录下，以及/usr/lib/udev/rules.d/目录下；

总结一下，内核模块是Linux内核中非常重要的组成部分，能够为内核提供丰富的扩展功能，并帮助用户更好地适应特定的硬件或应用场景。在使用内核模块时，需要注意不要破坏内核的稳定性和安全性，建议仅在必要的情况下使用和编写内核模块。相信本文的内容能够帮助读者更好地理解和应用Linux内核模块。

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