Day 8–9 · 内核模块基础设施

预计时长：1.5 小时 / 天，共 3 小时
类型：实验

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做什么

写一个最小内核模块，彻底搞清楚模块的生命周期、符号导出、版本控制机制。重点不是 Hello World 本身，而是理解 module_init 背后的机制，以及 WSL2 环境下加载模块的特殊问题。

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要了解什么

1. module_init / module_exit 的真实机制

module_init(my_init_func);
module_exit(my_exit_func);

这两个宏不是函数调用，是声明。展开后大致是：

// module_init 展开（简化）
static initcall_t __initcall_my_init_func __used \
    __attribute__((__section__(".initcall6.init"))) = my_init_func;

insmod 时，内核读取模块 ELF 的特定 section，找到 init 函数指针，调用它。rmmod 时调用 exit 函数。如果没有 module_exit，该模块不可卸载。

内建模块（obj-y，编进内核）的 module_init 函数在内核启动时按优先级依次调用，你在 initcall_debug 输出中看到的就是这些。

2. MODULE_LICENSE 的实际作用

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_LICENSE("Dual MIT/GPL");

这不只是声明，有实际效果：

• 只有 GPL 兼容许可证的模块才能访问标记为 EXPORT_SYMBOL_GPL 的符号
• 加载非 GPL 模块后，内核会打印 kernel tainted 警告，意味着这个内核状态不再"纯洁"
• 内核开发者可能拒绝分析被 tainted 内核产生的 bug 报告

大量重要的内核接口（如 usb_register_driver、i2c_add_driver）都是 EXPORT_SYMBOL_GPL，实际上强迫驱动采用 GPL 许可。

3. printk 与 pr_* 系列

// 旧式写法（仍然有效）
printk(KERN_DEBUG "value = %d\n", val);
printk(KERN_INFO "module loaded\n");
printk(KERN_ERR "failed: %d\n", ret);

// 现代写法（推荐，自动添加模块名前缀）
pr_debug("value = %d\n", val);
pr_info("module loaded\n");
pr_err("failed: %d\n", ret);

// 在驱动中绑定设备（推荐，带设备路径前缀）
dev_info(&pdev->dev, "probe success\n");
dev_err(&pdev->dev, "failed to request IRQ %d\n", irq);

日志级别（数字越小越紧急）： KERN_EMERG(0) > KERN_ALERT(1) > KERN_CRIT(2) > KERN_ERR(3) > KERN_WARNING(4) > KERN_NOTICE(5) > KERN_INFO(6) > KERN_DEBUG(7)

4. WSL2 加载内核模块的特殊性

WSL2 运行的是微软定制内核（5.15.x 或更高），但 WSL2 的头文件可能不完整。你有两个选择：

方案 A（推荐）：在 QEMU 虚拟机里加载模块（最接近真实嵌入式场景）
方案 B：使用 WSL2 自身内核头文件加载到 WSL2 内核（测试基本逻辑，但有限制）

方案 B 的头文件获取：

# 查看当前 WSL2 内核版本
uname -r

# 安装对应头文件
sudo apt install linux-headers-$(uname -r)
# 如果找不到，说明 WSL 内核版本太新，改用方案 A

5. modinfo 和 Module.symvers

modinfo my_module.ko
# 输出：filename, license, author, description, vermagic, depends, parm 等

vermagic 字段包含内核版本 + 编译器版本，加载时严格匹配，这就是为什么你不能把 ARM 编译的模块直接 insmod 到 x86 内核。

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练习

练习 1：最小模块

mkdir -p ~/labs/hello_module
cd ~/labs/hello_module

创建 hello.c：

// hello.c — 最小内核模块
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("你的名字");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World kernel module");
MODULE_VERSION("0.1");

// module_param 示例：允许 insmod 时传参
static int count = 1;
module_param(count, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(count, "Number of greetings (default: 1)");

static int __init hello_init(void)
{
    int i;
    pr_info("hello: module loaded, count=%d\n", count);
    for (i = 0; i < count; i++)
        pr_info("hello: greeting %d/%d\n", i + 1, count);
    return 0;  // 非零返回值会导致 insmod 失败，errno 被设置
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    pr_info("hello: module unloaded\n");
    // void 返回，不能失败
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

创建 Makefile（注意缩进必须是 TAB）：

# 在目标内核源码树下编译
KDIR ?= ~/kernel/linux-stable
ARCH ?= arm
CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf-

obj-m += hello.o

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) modules

clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) clean

# 编译
make

# 查看模块信息
arm-linux-gnueabihf-objdump -d hello.ko | head -30
modinfo hello.ko  # 注意：这是用宿主机 modinfo 读取，会报 vermagic 不匹配，但能看元信息

练习 2：在 QEMU 中加载模块

# 把模块打包进 initramfs
cp ~/labs/hello_module/hello.ko ~/kernel/initramfs/

cd ~/kernel/initramfs
find . | cpio -H newc -o | gzip > ../rootfs.cpio.gz

# 启动 QEMU
cd ~/kernel
qemu-system-arm -M virt -cpu cortex-a7 -m 256M \
  -kernel linux-stable/arch/arm/boot/zImage \
  -initrd rootfs.cpio.gz \
  -append "console=ttyAMA0 rdinit=/init" \
  -nographic

在 QEMU 的 shell 里：

# 加载模块
insmod /hello.ko count=3

# 查看日志
dmesg | tail -10

# 查看模块是否在列表里
lsmod

# 带参数查看详情
cat /proc/modules | grep hello

# 卸载
rmmod hello
dmesg | tail -3

• [ ] 验证 count=3 参数生效，dmesg 里有 3 条 greeting
• [ ] 卸载后，检查 dmesg 是否打印了 exit 消息

练习 3：符号导出实验

创建 ~/labs/sym_export/ 目录，写两个模块：

module_a.c（提供符号）：

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

MODULE_LICENSE("GPL");

int my_add(int a, int b)
{
    pr_info("my_add called: %d + %d\n", a, b);
    return a + b;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(my_add);  // 只有 GPL 模块才能使用

static int __init module_a_init(void) { return 0; }
static void __exit module_a_exit(void) {}
module_init(module_a_init);
module_exit(module_a_exit);

module_b.c（使用符号）：

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

MODULE_LICENSE("GPL");

extern int my_add(int a, int b);  // 声明外部符号

static int __init module_b_init(void)
{
    int result = my_add(3, 4);
    pr_info("my_add(3, 4) = %d\n", result);
    return 0;
}
static void __exit module_b_exit(void) {}
module_init(module_b_init);
module_exit(module_b_exit);

• [ ] 先 insmod module_a.ko，再 insmod module_b.ko，观察结果
• [ ] 尝试先 insmod module_b.ko（不加载 a），看报什么错
• [ ] 把 module_b 的 LICENSE 改成 "Proprietary"，重新编译加载，看内核的 tainted 警告

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延伸阅读

资料	具体位置	说明
《Linux 设备驱动开发详解》宋宝华	第 2 章	内核模块基础，中文写得很清楚
Linux Device Drivers Corbet 等	Ch.2 "Building and Running Modules"	LDD3，免费在线：https://lwn.net/Kernel/LDD3/
Linux Device Driver Development John Madieu	Ch.2	更新的实践，基于 5.x 内核
内核源码	include/linux/module.h	MODULE_* 宏的定义，必读
内核文档	Documentation/kbuild/modules.rst	模块编译的官方说明