1. 引言

Linux系統(tǒng)開放源代碼、系統(tǒng)漏洞少，在面對病毒和黑客入侵時能提供更好的安全性和穩(wěn)定性，基于以上這些優(yōu)點，近年來對Linux操作系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和研究越來越多。對Linux操作系統(tǒng)擴充或裁剪功能需要在重新編譯內(nèi)核上花費大量的時間。LKM機制由于大大縮短了開發(fā)和測試的時間，在 Linux開發(fā)、研究的過程中起到了舉足輕重的作用。

LKM主要包括內(nèi)核模塊在操作系統(tǒng)中的加載和卸載兩部分功能，內(nèi)核模塊是一些在啟動的操作系統(tǒng)內(nèi)核需要時可以載入內(nèi)核執(zhí)行的代碼塊，不需要時由操作系統(tǒng)卸載。它們擴展了操作系統(tǒng)內(nèi)核功能卻不需要重新編譯內(nèi)核、啟動系統(tǒng)。如果沒有內(nèi)核模塊，就不得不反復(fù)編譯生成操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像來加入新功能，當(dāng)附加的功能很多時，還會使內(nèi)核變得臃腫。

2. LKM的編寫和編譯

2.1 內(nèi)核模塊的基本結(jié)構(gòu)

一個內(nèi)核模塊至少包含兩個函數(shù)，模塊被加載時執(zhí)行的初始化函數(shù)init_module（）和模塊

被卸載時執(zhí)行的結(jié)束函數(shù)cleanup_module（）。在最新內(nèi)核穩(wěn)定版本2.6中，兩個函數(shù)可以起

任意的名字，通過宏module_init（）和module_exit（）實現(xiàn)。唯一需要注意的地方是函數(shù)必須在宏的使用前定義。例如：

static int __init hello_init（void）{}

static void __exit hello_exit（void ）{}

module_init（hello_init）；

module_exit（hello_exit）；

這里聲明函數(shù)為static的目的是使函數(shù)在文件以外不可見，__init的作用是在完成初始化后收回該函數(shù)占用的內(nèi)存，宏__exit用于模塊被編譯進內(nèi)核時忽略結(jié)束函數(shù)。這兩個宏只針對模塊被編譯進內(nèi)核的情況，而對動態(tài)加載模塊是無效的。這是因為編譯進內(nèi)核的模塊是沒有清理收尾工作的，而動態(tài)加載模塊卻需要自己完成這些工作。

2.2 內(nèi)核模塊的編譯

編譯時需要提供一個makefile來隱藏底層大量的復(fù)雜操作，使用戶通過make命令就可以完成編譯的任務(wù)。下面就是一個簡單的編譯hello.c的makefile文件：

obj-m += hello.ko

KDIR ：= /lib/modules/$（shell uname -r）/build

PWD ：= $（shell pwd）

default：

$（MAKE） -C $（KDIR） SUBDIRS=$（PWD） modules

編譯后獲得可加載的模塊文件hello.ko。

內(nèi)核版本2.6中使用.ko文件后綴代替了.o，這是為了與普通可執(zhí)行文件相區(qū)別。

3. LKM的主要功能

3.1 模塊的加載

模塊的加載有兩種方法，第一種是使用insmod命令加載，另一種是當(dāng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)需要加載某個模塊時，請求內(nèi)核后臺進程kmod加載適當(dāng)?shù)哪K。當(dāng)內(nèi)核需要加載模塊時，kmod被喚醒并執(zhí)行modprobe，同時傳遞需加載模塊的名字作為參數(shù)。modprobe像insmod一樣將模塊加載進內(nèi)核，不同的是在模塊被加載時查看它是否涉及到當(dāng)前沒有定義在內(nèi)核中的任何符號。如果有，在當(dāng)前模塊路徑的其他模塊中查找。如果找到，它們也會被加載到內(nèi)核中。但在這種情況下使用insmod，會以“未解析符號”信息結(jié)束。

關(guān)于模塊加載，可以用圖3.1來簡要描述：

insmod程序必須找到要求加載的內(nèi)核模塊，這些內(nèi)核模塊是已鏈接的目標文件，與其他文件不同的是，它們被鏈接成可重定位映象即映象沒有被鏈接到特定地址上。insmod將執(zhí)行一個特權(quán)級系統(tǒng)調(diào)用來查找內(nèi)核的輸出符號，這些符號都以符號名和數(shù)值形式如地址值成對保存。內(nèi)核輸出符號表被保存在內(nèi)核維護的模塊鏈表的第一個module結(jié)構(gòu)中。只有特殊符號才被添加，它們在內(nèi)核編譯與鏈接時確定。insmod將模塊讀入虛擬內(nèi)存并通過使用內(nèi)核輸出符號來修改其未解析的內(nèi)核函數(shù)和資源的引用地址。這些工作采取由insmod程序直接將符號的地址寫入模塊中相應(yīng)地址來進行。

當(dāng)insmod修改完模塊對內(nèi)核輸出符號的引用后，它將再次使用特權(quán)級系統(tǒng)調(diào)用申請足夠的空間容納新模塊。內(nèi)核將為其分配一個新的module結(jié)構(gòu)以及足夠的內(nèi)核內(nèi)存來保存新模塊，并將其插入到內(nèi)核模塊鏈表的尾部，最后將新模塊標志為UNINITIALIZED。insmod將模塊拷貝到已分配空間中，如果為它分配的內(nèi)核內(nèi)存已用完，將再次申請，但模塊被多次加載必然處于不同的地址。另外此重定位工作包括使用適當(dāng)?shù)刂穪硇薷哪K映象。如果新模塊也希望將其符號輸出到系統(tǒng)中，insmod將為其構(gòu)造輸出符號映象表。每個內(nèi)核模塊必須包含模塊初始化和結(jié)束函數(shù)，所以為了避免沖突它們的符號被設(shè)計成不輸出，但是insmod必須知道這些地址，這樣可以將它們傳遞給內(nèi)核。在所有這些工作完成以后，insmod將調(diào)用初始化代碼并執(zhí)行一個特權(quán)級系統(tǒng)調(diào)用將模塊的初始化和結(jié)束函數(shù)地址傳遞給內(nèi)核。當(dāng)將一個新模塊加載到內(nèi)核中時，內(nèi)核必須更新其符號表并修改那些被新模塊使用的老模塊。那些依賴于其他模塊的模塊必須在其符號表尾部維護一個引用鏈表并在其module數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中指向它。內(nèi)核調(diào)用模塊的初始化函數(shù)，如果成功將安裝此模塊。模塊的結(jié)束函數(shù)地址被存儲在其module結(jié)構(gòu)中，將在模塊卸載時由內(nèi)核調(diào)用，模塊的狀態(tài)最后被設(shè)置成RUNNING。

3.2 模塊的卸載

模塊可以使用rmmod命令刪除，但是請求加載模塊在其使用計數(shù)為0時，自動被系統(tǒng)刪除。kmod在其每次idle定時器到期時都執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用，將系統(tǒng)中所有不再使用的請求加載模塊刪除。

關(guān)于模塊卸載，可以用圖3.2來描述：

內(nèi)核中其他部分還在使用的模塊不能被卸載。例如系統(tǒng)中安裝了多個VFAT文件系統(tǒng)則不能卸載VFAT模塊。執(zhí)行l(wèi)smod將看到每個模塊的引用計數(shù)。模塊的引用計數(shù)被保存在其映象的第一個常字中，這個字還包含autoclean和visited標志。如果模塊被標記成autoclean，則內(nèi)核知道此模塊可以自動卸載。visited標志表示此模塊正被一個或多個文件系統(tǒng)部分使用，只要有其他部分使用此模塊則這個標志被置位。每次系統(tǒng)要將沒有被使用的請求加載模塊刪除時，內(nèi)核將在所有模塊中掃描，但是一般只查看那些被標志為autoclean并處于running狀態(tài)的模塊。如果某模塊的 visited標記被清除則它將被刪除。其他依賴于它的模塊將修改各自的引用域，表示它們間的依賴關(guān)系不復(fù)存在。此模塊占有的內(nèi)核內(nèi)存將被回收。

4. LKM的應(yīng)用

零拷貝基本思想是：數(shù)據(jù)分組從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到用戶程序空間傳遞的過程中，減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，減少系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)CPU的零參與，徹底消除CPU在這方面的負載。零拷貝的實現(xiàn)分為實現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)傳輸和地址映射兩個部分。其中DMA數(shù)據(jù)傳輸與本文關(guān)系不大，就不詳細敘述了，這里主要介紹應(yīng)用LKM機制實現(xiàn)的地址映射。

地址映射的基本原理是在內(nèi)核空間申請內(nèi)存，通過proc文件系統(tǒng)和mmap函數(shù)將其映射到用戶空間來允許應(yīng)用程序訪問，這樣就消除了內(nèi)核空間到應(yīng)用程序空間的數(shù)據(jù)拷貝。地址映射部分的實現(xiàn)主要分為以下三步：

第一，建立LKM的基本結(jié)構(gòu)，包括編寫初始化和結(jié)束函數(shù)等。

第二，聲明完成映射功能所需要的函數(shù)，主要有分配和初始化內(nèi)核內(nèi)存函數(shù)init_mem（），釋放內(nèi)核內(nèi)存函數(shù)del_mem（），向內(nèi)核內(nèi)存輸入內(nèi)容的函數(shù)put_mem（）等。

第三，在初始化函數(shù)中應(yīng)用第二步建立的函數(shù)分配一塊內(nèi)存空間、輸入內(nèi)容、建立proc文件系統(tǒng)入口。在結(jié)束函數(shù)中釋放已分配的內(nèi)核內(nèi)存，刪除proc文件系統(tǒng)入口。

編寫應(yīng)用程序測試該LKM，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達到了映射內(nèi)核內(nèi)存到應(yīng)用程序空間的目的。在實現(xiàn)零拷貝的過程中采用LKM機制不但便于調(diào)試而且大大減少了開發(fā)時間。

5. LKM與普通應(yīng)用程序的比較

LKM與普通應(yīng)用程序之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在四個方面。

第一，也是最重要的區(qū)別，普通應(yīng)用程序運行在用戶空間，而LKM運行在內(nèi)核空間。通過區(qū)分不同的運行空間，操作系統(tǒng)能夠安全地保護操作系統(tǒng)中一些重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容不被普通應(yīng)用程序所修改，達到保證操作系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的目的。

第二，普通應(yīng)用程序的目標很明確，它們從頭至尾都是為了完成某一項特定任務(wù)。而LKM是在內(nèi)核中注冊并為后續(xù)應(yīng)用程序的請求提供服務(wù)的。

第三，普通應(yīng)用程序可以調(diào)用并沒有在其中定義的函數(shù)，但一個LKM是鏈接到內(nèi)核上的，它所能調(diào)用的函數(shù)只有內(nèi)核導(dǎo)出來的那些函數(shù)。

第四，普通應(yīng)用程序和LKM處理錯誤的方式不同。當(dāng)應(yīng)用程序中出現(xiàn)錯誤時并不會給系統(tǒng)造成很大的傷害。LKM則不然，在其中出現(xiàn)的錯誤對子系統(tǒng)來說通常是致命的，至少對于當(dāng)前正在運行的進程而言。LKM中的一個錯誤常常會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。

6. 編寫LKM需要注意的問題

LKM運行在內(nèi)核空間，它們擁有對整個系統(tǒng)所有資源的訪問權(quán)限，因此，編寫LKM首先要注意就是安全問題，而且還應(yīng)該避免將可能導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題的代碼帶到LKM中。

LKM加載后是作為操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分運行的，因此，在設(shè)計、編寫操作系統(tǒng)內(nèi)核過程中應(yīng)該注意的問題在LKM中也應(yīng)該引起足夠的重視。在這里，主要指的是并發(fā)問題和指針引用問題。并發(fā)是指在同一時間有多個進程在操作系統(tǒng)內(nèi)核中同時運行。并發(fā)結(jié)合共享資源最終會導(dǎo)致競態(tài)條件，在這種情況下應(yīng)該對各個并發(fā)進程訪問共享資源進行嚴格的控制。如果在LKM中出現(xiàn)指針引用錯誤，內(nèi)核將沒有辦法將內(nèi)存的虛擬地址映射到物理地址，從而導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)核中的意外，如內(nèi)存訪問沖突、除0以及非法操作等。

7. LKM的不足之處

LKM雖然在設(shè)備驅(qū)動程序的編寫和擴充內(nèi)核功能中扮演著非常重要的角色，但它仍有許多不足的地方。

第一，LKM對于內(nèi)核版本的依賴性過強，每一個LKM都是靠內(nèi)核提供的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來的。當(dāng)這些內(nèi)核函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)因為內(nèi)核版本變化而發(fā)生變動時，原先的LKM不經(jīng)過修改就可能不能正常運行。

第二，雖然現(xiàn)在有針對內(nèi)核編程調(diào)試的工具kgdb，但是在LKM編寫過程中調(diào)試仍非常麻煩，而且在調(diào)試過程中，系統(tǒng)所能提供的出錯信息極為晦澀。

創(chuàng)新點：針對Linux內(nèi)核，利用LKM，在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的零拷貝（Zero-copy）的過程中，將LKM與普通應(yīng)用程序進行比較，提出了LKM的優(yōu)勢和不足。