Linux模块化机制和module_init

> 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 1module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). 2linux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 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。 1Module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) 2Module_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。 3Hello_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 更多原创技术分享敬请关注微信公众号：嵌入式企鹅圈