linux实践——内核编程 基础模块

一、内核模块的概念

Linux模块(module)是一些可以作为独立程序来编译的函数和数据类型的集合。内核模块给我们带来的便利是模块本身并不被编译进内核文件，可在内核运行期间动态的安装或卸载。因为如果将模块编译进内核的话，一是生产的内核文件过大，二是如果要添加或删除某个组件要重新编译整个内核。

Linux模块可以通过静态或动态地加载到内核空间，静态加载是指在内核启动过程中加载；动态加载是指在内核运行的过程中随时加载。我采用的是动态加载的方法。

一个模块被加载到内核中时，它就成为内核代码的一部分，与其他内核代码地位是一样的。模块加载如系统时，系统修改内核中的符号表，将新加载的模块提供的资源和符号加到内核符号表中，这样使模块间可进行通信。

二、内核模块的基本结构

linux内核模块的程序结构有：模块加载函数（必须），模块卸载函数（必须），模块许可证声明（必须），模块参数（可选），模块导出符号(可选)，模块作者的等信息声明（可选）。

一个内核模块应该至少包含两个函数。一个“开始”（初始化）的函数被称为init_module()，当内核模块被insmod 加载时被执行，还有一个“结束”（要完成与模块加载函数相反的功能）的函数被称为cleanup_module() ，当内核模块被rmmod 卸载时被执行。实际上，从内核版本2.3.13 开始我们就可以为开始和结束函数起任意的名字了。这可以通过宏module_init()和module_exit()实现，需要注意的地方是函数必须在宏的使用前定义，否则会有编译错误。

模块许可证声明描述内核模块的许可权限，格式为MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")，Linux可接受的 LICENSE 包括”GPL","GPL v2"，"GPL and additional rights"，"Dual BSD/GPL"，"Dual MPL/GPL"，"Proprietary"。可以不加，则系统默认。如果不声明 LICENSE ，模块被加载时，将收到内核的警告。

模块参数是“模块被加载的时候可以被传递给模块的值”，它本身对应模块内部的全部变量。 可以使用module_param(参数名,参数类型,读/写权限)为模块定义一个参数。

内核模块可以导出符号(symbol，对应与函数或变量)，这样其他模块可以使用本模块中的变量和函数。/proc/kallsyms文件对应这内核符号表，它记录了符号以及符号符号所在的内存地址。

模块可以使用如下宏导出符号到内核符号表：

EXPORT_SYMBOL(符号名);
EXPORT_SYMBOL_GPL(符合名);    //只是用于GPL许可权模块。

导出的符合将可以被其他模块使用，使用前声明以下既可以。

模块作者的等信息声明：

MODULE_AUTOR("作者信息");
MODULE_DESCRIPTION("模块描述信息");
MODULE_VERSION("版本信息");
MODULE_ALIAS("别名信息");
MODULE_DEVICE_TABLE("设备表信息");

对于USB,PCI等设备驱动，通常会创建一个MODULE_DEVICE_TABLE,表示驱动所支持的设备列表。

三、编写内核模块的基本步骤

1、根据自己的需求编写内核模块源代码

2、将源代码进行编译，生成.ko文件

在编译内核模块时需要用到Makefile，
obj-m :=*.o
PWD := $(shell pwd)
KDIR:=/usr/src/linux-headers-4.4.0-21-generic
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

obj-m：这个变量是指定要编译的模块
KDIR：这是我们正在运行的操作系统内核编译目录，也就是编译模块需要的环境
PWD：这是当前工作路径，$(shell )是make的一个内置函数，用来执行shell命令
注意：要将Makefile文件与四个内核模块源代码放在同一个文件夹中。

3、用insmod命令加载模块

4、测试内核模块功能

5、用rmmod命令卸载模块

四、内核模块编程

proc模块

代码

proc.c代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

#include <linux/fs.h>     // for basic filesystem
#include <linux/proc_fs.h>    // for the proc filesystem
#include <linux/seq_file.h>   // for sequence files
#include <linux/jiffies.h>    // for jiffies
#include <linux/slab.h>       // for kzalloc, kfree
#include <linux/uaccess.h>    // for copy_from_user

//static struct task_struct *pcurrent;
int print_current_task_info(void);

// global var
static char *str = NULL;

// seq_operations -> show
static int jif_show(struct seq_file *m, void *v)
{
//seq_printf(m, "current kernel time is %llu\n", (unsigned long long) get_jiffies_64());

seq_printf(m, "str is %s\n", str);
return 0; //!! must be 0, or will show nothing T.T
}

// file_operations -> write
static ssize_t jif_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *f_pos)
{

char *tmp = kzalloc((count+1), GFP_KERNEL);
if (!tmp)
return -ENOMEM;

//copy_to|from_user(to,from,cnt)
if (copy_from_user(tmp, buffer, count)) {
kfree(tmp);
return -EFAULT;
}

kfree(str);
str = tmp;

return count;
}

// seq_operations -> open
static int jif_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
return single_open(file, jif_show, NULL);
}

static const struct file_operations jif_fops =
{
.owner      = THIS_MODULE,
.open       = jif_open,
.read       = seq_read,
.write      = jif_write,
.llseek     = seq_lseek,
.release    = single_release,
};

// module init
static int __init jif_init(void)
{
struct proc_dir_entry* jif_file;

jif_file = proc_create("exp2", 0, NULL, &jif_fops);
if (NULL == jif_file)
{
return -ENOMEM;
}

return 0;
}

// module exit
static void __exit jif_exit(void)
{
printk("******************************************\n");
remove_proc_entry("exp2", NULL);
kfree(str);

}

module_init(jif_init);
module_exit(jif_exit);

MODULE_AUTHOR("why");
MODULE_LICENSE("GPL");

测试过程及结果：

1.  make

2.  sudo insmod proc.ko

若要查看模块是否插入成功可以使用"lsmod | grep proc"查看

3.  sudo -i
cat /proc/exp2

切换到root用户下，打印/proc/exp2文件中的信息,如图所示：

4.  echo 5312 > /proc/exp2

输入"5312"到/proc/exp2文件中，若输入的信息有空格则需要在信息两侧加双引号

5.  cat /proc/exp2

打印/proc/exp2中信息验证模块编程是否成功

syscall模块（系统调用）

代码

syscall代码：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/sched.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

#define SYS_CALL_TABLE_ADDRESS 0xc17ab180
#define NUM 23
int orig_cr0;  *sys_call_table_my = 0;
static int (*anything_saved)(void);
static int clear_cr0(void)
{
unsigned int cr0 = 0;
unsigned int ret;
asm volatile ("movl %%cr0, %%eax":"=a"(cr0));
ret = cr0;
cr0 &= 0xfffeffff;
asm volatile ("movl %%eax, %%cr0": :"a"(cr0));
return ret;
}

static void setback_cr0(int val)
{
asm volatile ("movl %%eax, %%cr0": : "a"(val));
}

asmlinkage long sys_mycall(void)
{
printk("pid:%d, comm:%s\n", current->pid, current->comm);
return current->pid;
}

static int __init call_init(void)
{
sys_call_table_my = (unsigned long*)(SYS_CALL_TABLE_ADDRESS);
printk("call_init.......\n");
anything_saved = (int (*)(void))(sys_call_table_my[NUM]);
orig_cr0 = clear_cr0();
sys_call_table_my[NUM] =(unsigned long) &sys_mycall;
setback_cr0(orig_cr0);
return 0;
}

static void __exit call_exit(void)
{
printk("call_exit..........\n");
orig_cr0 = clear_cr0();
sys_call_table_my[NUM] = (unsigned long)anything_saved;
setback_cr0(orig_cr0);
}

module_init(call_init);
module_exit(call_exit);

MODULE_AUTHOR("Why");

MODULE_VERSION("v1.0");

MODULE_DESCRIPTION("A module for replace a syscall");

syscalltest代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int main()
{
unsigned long x=0;
x=syscall(23);
printf("hello!why!%ld\n",x);
return 0;
}

测试过程及结果：

1.  sudo cat /proc/kallsyms | grep sys_call_table

通过得到的本机系统调用表地址修改代码

2.  make
gcc syscalltest.c -o syscalltest

3.  sudo insmod syscall.ko

4.  ./syscalltest

page模块（内存页表）

相关知识

当今，Linux采用了一种同时适用于32位和64位系统的普通分页模型。前面我们看到，两级页表对32位系统来说已经足够了，但64位系统需要更多数量的分页级别。直到2.6.10版本，Linux采用三级分页的模型。从2.6.11版本开始，采用了四级分页模型。

四级分页模型中的4种页表分别被称作：
• 页全局目录（Page Global Directory）
• 页上级目录（Page Upper Directory）
• 页中间目录（Page Middle Directory）
• 页表（Page Table）

页全局目录包含若干页上级目录的地址，页上级目录又依次包含若干页中间目录的地址，而页中间目录又包含若干页表的地址。每一个页表项指向一个页框。线性地址因此被分成五个部分。图中没有显示位数，因为每一部分的大小与具体的计算机体系结构有关。

对于没有启用物理地址扩展的32位系统，两级页表已经足够了。从本质上说Linux通过使“页上级目录”位和“页中间目录”位全为0，彻底取消了页上级目录和页中间目录字段。  不过，页上级目录和页中间目录在指针序列中的位置被保留，以便同样的代码在32位系统和64位系统下都能使用。内核为页上级目录和页中间目录保留了一个位置，这是通过把它们的页目录项数设置为1，并把这两个目录项映射到页全局目录的一个合适的目录项而实现的。

启用了物理地址扩展的32 位系统使用了三级页表。Linux的页全局目录对应80x86 的页目录指针表（PDPT），取消了页上级目录，页中间目录对应80x86的页目录，Linux的页表对应80x86的页表。最终，64位系统使用三级还是四级分页取决于硬件对线性地址的位的划分。

pte_t、pmd_t、pud_t和 pgd_t分别描述页表项、页中间目录项、页上级目录和页全局目录项的类型格式。当PAE被激活时它们都是64位的数据类型，否则都是32位数据类型。 pgprot_t是另一个64位（PAE激活时）或32位（PAE禁用时）的数据类型，它表示与一个单独表项相关的保护标志。

五个类型转换宏（__ pte、__ pmd、__ pud、__ pgd和__ pgprot）把一个无符号整数转换成所需的类型。另外的五个类型转换宏（pte_val，pmd_val， pud_val， pgd_val和pgprot_val）执行相反的转换，即把上面提到的四种特殊的类型转换成一个无符号整数。

代码

page代码：

#include <linux/module.h>
#include <asm/pgtable.h>
#include <linux/version.h>
#include <asm/page.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/page-flags.h>
#include <linux/sched.h>//find_task_by_vpid
#include <linux/mm.h>//find_vma

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("CONVERT USER VIRTUAL ADDRESS TO PHYADDRESS");

static int pid;
static unsigned long va;

module_param(pid,int,0644);
module_param(va,ulong,0644);

static int find_pgd_init(void)
{
unsigned long pa=0;
struct task_struct *pcb_tmp=NULL;
pgd_t *pgd_tmp=NULL;
pud_t *pud_tmp=NULL;
pmd_t *pmd_tmp=NULL;
pte_t *pte_tmp=NULL;

printk(KERN_ALERT "test:va=0x%lx,pid=%d.\n",va,pid);

rcu_read_lock();
if( !( pcb_tmp = pid_task(find_vpid(pid), PIDTYPE_PID) ) )
{
rcu_read_unlock();
printk(KERN_ALERT "Can't find the task %d.\n",pid);
return 0;
}
rcu_read_unlock();

printk("The page index_table address = 0x%p\n\n",pcb_tmp->mm->pgd);

printk(KERN_ALERT "pgd=0x%p\n",pcb_tmp->mm->pgd);
if(!find_vma(pcb_tmp->mm,va))
{
printk(KERN_ALERT "virt_addr 0x%lx not available.\n",va);
return 0;
}
pgd_tmp=pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);
printk(KERN_ALERT "pgd_tmp=0x%p\n",pgd_tmp);
printk(KERN_ALERT "pgd_val(*pgd_tmp)=0x%lx\n\n",pgd_val(*pgd_tmp));
if(pgd_none(*pgd_tmp))
{
printk(KERN_ALERT "Not mapped in pgd.\n");
return 0;
}

pud_tmp=pud_offset(pgd_tmp,va);
pmd_tmp=pmd_offset(pud_tmp,va);

pte_tmp=pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);
if(pte_none(*pte_tmp))
{
printk(KERN_ALERT "Not mapped in pte.\n");
return 0;
}
if(!pte_present(*pte_tmp))
{
printk(KERN_ALERT "pte not in RAM,maybe swaped.\n");
return 0;
}
pa=(pte_val(*pte_tmp)&PAGE_MASK)|(va&~PAGE_MASK);
printk(KERN_ALERT "Virtual address: 0x%lx in RAM is 0x%lx.\n",va,pa);
printk(KERN_ALERT "Part content in 0x%lx is 0x%lx.\n",pa,*(unsigned long*)((char *)pa+PAGE_OFFSET));
int i;
printk("some content:\n");
for(i=0;i<40;i=i+4)
{
printk("%lx\n",*(unsigned long*)((char*)pa+PAGE_OFFSET+i));
}
return 0;
}

static void find_pgd_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "Goodbye.\n");
}

module_init(find_pgd_init);
module_exit(find_pgd_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Why");

MODULE_DESCRIPTION("GET WESSAGE");

测试过程及结果：

1.  make

2.  gedit page.c
ps -ef | grep gedit
objdump -d /usr/bin/gedit | more

使用一个我们想要查看的软件，查看pid，查看进程的入口地址。

使用计算机计算出地址的十进制值

3.  sudo insmod page.ko pid=1111 va=134514700

4.  dmesg | tail -n 20