内核模块

 

http://oss.org.cn/kernel-book/ch10/10.2.1.htm

10.2.1数据结构

1．模块符号

如前所述，Linux内核是一个整体结构，而模块是插入到内核中的插件。尽管内核不是一个可安装模块，但为了方便起见，Linux把内核也看作一个模块。那么模块与模块之间如何进行交互呢，一种常用的方法就是共享变量和函数。但并不是模块中的每个变量和函数都能被共享，内核只把各个模块中主要的变量和函数放在一个特定的区段，这些变量和函数就统称为符号。到低哪些符号可以被共享？ Linux内核有自己的规定。对于内核模块，在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号，例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下：

/* process memory management */

EXPORT_SYMBOL(do_mmap_pgoff);

EXPORT_SYMBOL(do_munmap);

EXPORT_SYMBOL(do_brk);

EXPORT_SYMBOL(exit_mm);

EXPORT_SYMBOL(exit_files);

EXPORT_SYMBOL(exit_fs);

EXPORT_SYMBOL(exit_sighand);

 

    EXPORT_SYMBOL(complete_and_exit);

    EXPORT_SYMBOL(__wake_up);

    EXPORT_SYMBOL(__wake_up_sync);

    EXPORT_SYMBOL(wake_up_process);

    EXPORT_SYMBOL(sleep_on);

    EXPORT_SYMBOL(sleep_on_timeout);

    EXPORT_SYMBOL(interruptible_sleep_on);

    EXPORT_SYMBOL(interruptible_sleep_on_timeout);

    EXPORT_SYMBOL(schedule);

    EXPORT_SYMBOL(schedule_timeout);

    EXPORT_SYMBOL(jiffies);

    EXPORT_SYMBOL(xtime);

    EXPORT_SYMBOL(do_gettimeofday);

    EXPORT_SYMBOL(do_settimeofday);

你可能对这些变量和函数已经很熟悉。其中宏定义EXPORT_SYMBOL（）本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢？因为这些符号本来是内核内部的符号，通过这个宏放在一个公开的地方，使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。

实际上，仅仅知道这些符号的名字是不够的，还得知道它们在内核映像中的地址才有意义。因此，内核中定义了如下结构来描述模块的符号：

struct module_symbol

{

        unsigned long value; ／*符号在内核映像中的地址*/

        const char *name;   /*指向符号名的指针*/

};

从后面对EXPORT_SYMBOL宏的定义可以看出，连接程序（ld）在连接内核映像时将这个结构存放在一个叫做“__ksymtab”的区段中，而这个区段中所有的符号就组成了模块对外“移出”的符号表，这些符号可供内核及已安装的模块来引用。而其他“对内”的符号则由连接程序自行生成，并仅供内部使用。

与EXPORT_SYMBOL相关的定义在include/linux/module.h中：

 

    #define __MODULE_STRING_1(x)    #x

   #define __MODULE_STRING(x)      __MODULE_STRING_1(x)

 

#define __EXPORT_SYMBOL(sym, str)                       \

const char __kstrtab_##sym[]                            \

__attribute__((section(".kstrtab"))) = str;             \

const struct module_symbol __ksymtab_##sym              \

__attribute__((section("__ksymtab"))) =                 \

 { (unsigned long)&sym, __kstrtab_##sym }

 

#if defined(MODVERSIONS) || !defined(CONFIG_MODVERSIONS)

#define EXPORT_SYMBOL(var)  __EXPORT_SYMBOL(var, __MODULE_STRING(var))

 

下面我们以EXPORT_SYMBOL(schedule)为例，来看一下这个宏的结果是什么。

首先EXPORT_SYMBOL(schedule)的定义成了__EXPORT_SYMBOL(schedule, “schedule”)。而__EXPORT_SYMBOL（）定义了两个语句，第一个语句定义了一个名为__kstrtab_ schedule的字符串，将字符串的内容初始化为“schedule”，并将其置于内核映像中的.kstrtab区段，注意这是一个专门存放符号名字符串的区段。第二个语句则定义了一个名为__kstrtab_ schedule的module_symbol结构，将其初始化为｛＆schedule，__kstrtab_ schedule｝结构，并将其置于内核映像中的__ksymtab区段。这样，module_symbol结构中的域value的值就为schedule在内核映像中的地址，而指针name则指向字符串“schedule”。

 

2．模块引用(module reference)

   模块引用是一个不太好理解的概念。 有些装入内核的模块必须依赖其它模块， 例如，因为VFAT文件系统是FAT文件系统或多或少的扩充集，那么，VFAT文件系统依赖（depend）于FAT文件系统，或者说，FAT模块被VFAT模块引用，或换句话说，VFAT为“父”模块，FAT为“子”模块。其结构如下：

struct module_ref

{

         struct module *dep;     /* “父”模块指针*/

         struct module *ref;     /* “子”模块指针*/

         struct module_ref *next_ref; ／*指向下一个子模块的指针*/

};

在这里“dep”指的是依赖，也就是引用，而“ref”指的是被引用。因为模块引用的关系可能延续下去，例如A引用B，B有引用C，因此，模块的引用形成一个链表。

3． 模块

模块的结构为module ，其定义如下：

   struct module_persist; /* 待决定 */

 

struct module

 {

        unsigned long size_of_struct;   /* 模块结构的大小，即sizeof(module) */

        struct module *next;  ／* 指向下一个模块 */

        const char *name;   ／*模块名，最长为64个字符*/

        unsigned long size;  ／*以页为单位的模块大小*/

 

        union

           {

                 atomic_t usecount; ／*使用计数，对其增减是原子操作*/

                 long pad;

         } uc;                      /* Needs to keep its size - so says rth */

 

        unsigned long flags;            /* 模块的标志 */

 

        unsigned nsyms;        /* 模块中符号的个数 */

        unsigned ndeps;       /* 模块依赖的个数 */

        struct module_symbol *syms; /* 指向模块的符号表,表的大小为nsyms */

 

            struct module_ref deps; ／*指向模块引用的数组，大小为ndeps */

        struct module_ref *refs;

        int (*init)(void);      /* 指向模块的init_module()函数 */

        void (*cleanup)(void);  /* 指向模块的cleanup_module()函数 */

        const struct exception_table_entry *ex_table_start;

        const struct exception_table_entry *ex_table_end;

 

 

/* 以下域是在以上基本域的基础上的一种扩展，因此是可选的。可以调用

mod_member_present()函数来检查以下域的存在与否。  */

        const struct module_persist *persist_start; ／*尚未定义*/

        const struct module_persist *persist_end;

        int (*can_unload)(void);

        int runsize                      ／*尚未使用*/

        const char *kallsyms_start;     /*用于内核调试的所有符号 */

        const char *kallsyms_end;

        const char *archdata_start;     /* 与体系结构相关的特定数据*/

        const char *archdata_end;

        const char *kernel_data;        /*保留 */

};

 

  其中，moudle中的状态，即flags的取值定义如下：

   /* Bits of module.flags.  */

 

#define MOD_UNINITIALIZED       0 ／*模块还未初始化*/

#define MOD_RUNNING             1 ／*模块正在运行*/

#define MOD_DELETED             2  ／*卸载模块的过程已经启动*/

#define MOD_AUTOCLEAN           4 ／*安装模块时带有此标记，表示允许自动

卸载模块*/

#define MOD_VISITED             8  ／*模块被访问过*/

#define MOD_USED_ONCE           16 ／*模块已经使用过一次*/

#define MOD_JUST_FREED          32 ／*模块刚刚被释放*/

#define MOD_INITIALIZING        64 ／*正在进行模块的初始化*/－／

 

如前所述，虽然内核不是可安装模块，但它也有符号表，实际上这些符号表受到其他模块的频繁引用，将内核看作可安装模块大大简化了模块设计。因此，内核也有一个module结构，叫做kernel_module，与kernel_module相关的定义在kernel／module_c中：

#if defined(CONFIG_MODULES) || defined(CONFIG_KALLSYMS)

 

extern struct module_symbol __start___ksymtab[];

extern struct module_symbol __stop___ksymtab[];

 

extern const struct exception_table_entry __start___ex_table[];

extern const struct exception_table_entry __stop___ex_table[];

 

extern const char __start___kallsyms[] __attribute__ ((weak));

extern const char __stop___kallsyms[] __attribute__ ((weak));

 

struct module kernel_module =

{

        size_of_struct:         sizeof(struct module),

        name:                   "",

        uc:                     {ATOMIC_INIT(1)},

        flags:                  MOD_RUNNING,

        syms:                   __start___ksymtab,

        ex_table_start:         __start___ex_table,

        ex_table_end:           __stop___ex_table,

        kallsyms_start:         __start___kallsyms,

        kallsyms_end:           __stop___kallsyms,

};

首先要说明的是，内核对可安装模块的的支持是可选的。如果在编译内核代码之前的系统配置阶段选择了可安装模块，就定义了编译提示CONFIG_MODULES，使支持可安装模块的代码受到编译。同理，对用于内核调试的符号的支持也是可选的。

凡是在以上初始值未出现的域，其值均为0或NULL。显然，内核没有init_module()和cleanup_module()函数，因为内核不是一个真正的可安装模块。同时，内核没有deps数组，开始时也没有refs链。可是，这个结构的指针syms指向__start___ksymtab，这就是内核符号表的起始地址。符号表的大小nsyms为0，但是在系统能初始化时会在init_module()函数中将其设置成正确的值。

在模块映像中也可以包含对异常的处理。发生于一些特殊地址上的异常，可以通过一种描述结构exception_table_entry规定对异常的反映和处理，这些结构在可执行映像连接时都被集中在一个数组中，内核的exception_table_entry结构数组就为__start___ex_table［］。当异常发生时，内核的异常响应处理程序就会先搜索这个数组，看看是否对所发生的异常规定了特殊的处理，相关内容请看第四章。

另外，从kernel_module开始，所有已安装模块的module结构都链在一起成为一条链，内核中的全局变量module_list就指向这条链：

struct module *module_list = &kernel_module；