Linux模块化机制和module_init

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引子：模块化机制优点

模块化机制(module)是Linux系统的一大创新，是Linux驱动开发和运行的基础（当然，module并不仅仅是支撑驱动）。其优点在于：

1.在系统运行动态加载模块，扩充内核的功能。不需要时可以卸载。

2. 修改内核功能，不必重新全部编译整改内核，只需要编译相应模块即可。

3.模块目标代码一旦被加载重定位到内核，其作用域和静态链接的代码完全等价。

本文重点阐述Linux module加载的来龙去脉，其中的奥秘就在于对宏module_init的解读。

一、模块例子

hello_module.c代码如下：

#include /* Needed by all modules */

#include /* Needed for KERN_ALERT */

#include /*Needed for __init */

static int __init test_init(void){

printk(KERN_ALERT"Hello world!\n");

return 0;

}

static void __exit test_exit(void){

printk(KERN_ALERT"Goodbye world!\n");

}

module_init(test_init);

module_exit(test_exit);

二、模块编程要点

1．头文件 linux/module.h、linux/kernel.h、linux/init.h

2. 定义模块的初始化函数test_init(名字任意)和卸载函数test_exit(名字任意)。

3. 用宏module_init声明初始化函数，用宏module_exit声明卸载函数。

三、模块运行

模块代码有两种运行的方式：

1. 编译成可动态加载的module，并通过insmod来动态加载，接着进行初始化。

2. 静态编译链接进内核，在系统启动过程中进行初始化。

有些模块是必须要编译到内核，和内核一起运行的，从不卸载，如vfs、platform_bus等等。

四、静态链接和初始化

Make menuconfig时选择将模块编译到内核即为静态链接，或者直接在makefile文件中指定为obj-y +=hello_module.o

1 module 宏展开

头文件路径：include/linux/init.h

//静态编译链接时没有定义宏MODULE

#ifndef MODULE

typedef int (*initcall_t)(void);

#define __define_initcall(level,fn,id) \

static initcall_t __initcall_##fn##id __used \

__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn,6)

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

#define module_init(x) __initcall(x);

所以：

module_init(test_init)展开为：

__initcall(test _init)->

device_initcall(test _init)->

__define_initcall("6", test _init,6)->

static initcall_t __initcall_test_init_6 __attribute__((__section__(".initcall6.init"))) = test_init;

即是定义了一个类型为initcall_t的函数指针变量__initcall_test_init_6，并赋值为test_init，该变量在链接时会链接到section(.initcall6.init).

2 linux 链接脚本

路径 arch/arm/kernel/vmlinux.ld.S

#include

SECTIONS{

…

INIT_CALLS

…

}

路径：include/ asm-generic/vmlinux.lds.h

#define INIT_CALLS \

VMLINUX_SYMBOL(__initcall_start) = .; \

INITCALLS \

VMLINUX_SYMBOL(__initcall_end) = .;

#define INITCALLS \

….

*(.initcall6.init) \

…

可见__initcall_test_init_6将会链接到section(.initcall6.init).

3 初始化

在linux启动的第三个阶段kernel_init的函数里会调用：

路径init/main.c

Kernel_init

do_basic_setup

do_initcalls

static void __init do_initcalls(void){

initcall_t *fn;

for (fn = __early_initcall_end; fn < __initcall_end; fn++)

do_one_initcall(*fn);

}

即取出函数指针__initcall_test_init_6的值并进行调用，即执行test_init。

五、动态链接加载和初始化

Make menuconfig时选择将模块编译成模块即为动态链接，或者直接在makefile文件中指定为obj-m +=hello_module.o

编译成模块的命令是：

make –C $KERNEL_PATH M=$MODULE_PATH modules

即使用linux根目录下的makefile，执行该makefile下的modules伪目标，对当前模块进行编译。编译的结果是可重定位文件，insmod加载时才完成最终的链接动作。

1 Module 编译选项

Linux根目录下的makefile定义了modules伪目标会用到的编译选项。

//即定义宏MODULE，-D是GCC定义宏的语法。

MODFLAGS = -DMODULE

//GCC编译模块代码时会用到该选项，即定义宏MODULE。这与在头文件中用#define MODULE是一样的。

CFLAGS_MODULE = $(MODFLAGS)

2 Module_init 宏展开

头文件路径：include/linux/init.h

#ifndef MODULE /*编译成module时定义了宏MODULE*/

#else /* MODULE obj-m*/

typedef int (*initcall_t)(void);

#define module_init(initfn) \

static inline initcall_t __inittest(void) \

{ return initfn; } \

int init_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));

__inittest仅仅是为了检测定义的函数是否符合initcall_t类型，如果不是__inittest类型在编译时将会报错。所以真正的宏定义是：

#define module_init(initfn)

int init_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));

alias属性是GCC的特有属性，将定义init_module为函数initfn的别名。所以module_init(test_init)的作用就是定义一个变量名init_module，其地址和test_init是一样的。

3 Hello_module.mod.c

编译成module的模块都会自动产生一个*.mod.c的文件，Hello_module.mod.c的内容如下：

struct module __this_module

__attribute__((section(".gnu.linkonce.this_module"))) = {

.name = KBUILD_MODNAME,

.init = init_module,

#ifdef CONFIG_MODULE_UNLOAD

.exit = cleanup_module,

#endif

.arch = MODULE_ARCH_INIT,

};

即定义了一个类型为module的全局变量__this_module，其成员init即为init_module，也即是test_init.并且该变量会链接到section(".gnu.linkonce.this_module").

4 动态加载

insmod是busybox提供的用户层命令：

路径busybox/modutils/ insmod.c

insmod_main

bb_init_module

init_module

路径busybox/modutils/modutils.c：

# define init_module(mod, len, opts) .\

syscall(__NR_init_module, mod, len, opts)

该系统调用对应内核层的sys_init_module函数。

路径：kernel/module.c

SYSCALL_DEFINE3(init_module,…)

//加载模块的ko文件，并解释各个section，重定位

mod = load_module(umod, len, uargs);

//查找section(".gnu.linkonce.this_module")

modindex = find_sec(hdr, sechdrs, secstrings,

".gnu.linkonce.this_module");

//找到Hello_module.mod.c定义的module数据结构

mod = (void *)sechdrs[modindex].sh_addr;

if (mod->init != NULL)

ret = do_one_initcall(mod->init); //调用test_init.

模块的传参、符号导出、模块依赖等机制以后再另文描述