學習內核編程的最簡單的方式也許就是寫個內核模塊：一段可以動態加載進內核的代碼。模塊所能做的事是有限的——例如，他們不能在類似進程描述符這樣的公共數據結構中增減字段（LCTT譯注：可能會破壞整個內核及系統的功能）。但是，在其它方面，他們是成熟的內核級的代碼，可以在需要時隨時編譯進內核（這樣就可以摒棄所有的限制了）。完全可以在Linux源代碼樹以外來開發并編譯一個模塊（這并不奇怪，它稱為樹外開發），如果你只是想稍微玩玩，而并不想提交修改以包含到主線內核中去，這樣的方式是很方便的。
由于大多數的Linux內核模塊是用C寫的（除了底層的特定于體系結構的部分），所以推薦你將你的模塊以單一文件形式保存（例如，reverse.c）。我們已經把完整的源代碼放在GitHub上——這里我們將看其中的一些片段。開始時，我們先要包含一些常見的文件頭，并用預定義的宏來描述模塊：
這里一切都直接明了，除了MODULE_LICENSE()：它不僅僅是一個標記。內核堅定地支持GPL兼容代碼，因此如果你把許可證設置為其它非GPL兼容的（如，“Proprietary”[專利]），某些特定的內核功能將在你的模塊中不可用。
內核編程很有趣，但是在現實項目中寫（尤其是調試）內核代碼要求特定的技巧。通常來講，在沒有其它方式可以解決你的問題時，你才應該在內核級別解決它。以下情形中，可能你在用戶空間中解決它更好：
module_exit(reverse_exit);
這里，我們定義的函數被稱為模塊的插入和刪除。只有第一個的插入函數是必要的。目前，它們只是打印消息到內核環緩沖區（可以在用戶空間通過dmesg命令訪問）；KERN_INFO是日志級別（注意，沒有逗號）。__init和__exit是屬性 —— 聯結到函數（或者變量）的元數據片。屬性在用戶空間的C代碼中是很罕見的，但是內核中卻很普遍。所有標記為__init的，會在初始化后釋放內存以供重用（還記得那條過去內核的那條“Freeing unused kernel memory…[釋放未使用的內核內存……]”信息嗎？）。__exit表明，當代碼被靜態構建進內核時，該函數可以安全地優化了，不需要清理收尾。最后，module_init()和module_exit()這兩個宏將reverse_init()和reverse_exit()函數設置成為我們模塊的生命周期回調函數。實際的函數名稱并不重要，你可以稱它們為init()和exit()，或者start()和stop()，你想叫什么就叫什么吧。他們都是靜態聲明，你在外部模塊是看不到的。事實上，內核中的任何函數都是不可見的，除非明確地被導出。然而，在內核程序員中，給你的函數加上模塊名前綴是約定俗成的。
這些都是些基本概念 – 讓我們來做更多有趣的事情吧。模塊可以接收參數，就像這樣：
# modprobe foo bar=1
modinfo命令顯示了模塊接受的所有參數，而這些也可以在/sys/module//parameters下作為文件使用。我們的模塊需要一個緩沖區來存儲參數 —— 讓我們把這大小設置為用戶可配置。在MODULE_DESCRIPTION()下添加如下三行：
static unsigned long buffer_size = 8192;
module_param(buffer_size, ulong, (S_IRUSR | S_IRGRP | S_IROTH));
MODULE_PARM_DESC(buffer_size, "Internal buffer size");
這兒，我們定義了一個變量來存儲該值，封裝成一個參數，并通過sysfs來讓所有人可讀。這個參數的描述（最后一行）出現在modinfo的輸出中。
由于用戶可以直接設置buffer_size，我們需要在reverse_init()來清除無效取值。你總該檢查來自內核之外的數據 —— 如果你不這么做，你就是將自己置身于內核異常或安全漏洞之中。
static int __init reverse_init()
{
if (!buffer_size)
return -1;
printk(KERN_INFO
"reverse device has been registered, buffer size is %lu bytes\n",
buffer_size);
return 0;
}
來自模塊初始化函數的非0返回值意味著模塊執行失敗。
導航
但你開發模塊時，Linux內核就是你所需一切的源頭。然而，它相當大，你可能在查找你所要的內容時會有困難。幸運的是，在龐大的代碼庫面前，有許多工具使這個過程變得簡單。首先，是Cscope —— 在終端中運行的一個比較經典的工具。你所要做的，就是在內核源代碼的頂級目錄中運行make cscope && cscope。Cscope和Vim以及Emacs整合得很好，因此你可以在你最喜愛的編輯器中使用它。
如果基于終端的工具不是你的最愛，那么就訪問http://lxr.free-electrons.com吧。它是一個基于web的內核導航工具，即使它的功能沒有Cscope來得多（例如，你不能方便地找到函數的用法），但它仍然提供了足夠多的快速查詢功能。
現在是時候來編譯模塊了。你需要你正在運行的內核版本頭文件（linux-headers，或者等同的軟件包）和build-essential（或者類似的包）。接下來，該創建一個標準的Makefile模板：
obj-m += reverse.o
all:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
現在，調用make來構建你的第一個模塊。如果你輸入的都正確，在當前目錄內會找到reverse.ko文件。使用sudo insmod reverse.ko插入內核模塊，然后運行如下命令：
$ dmesg | tail -1
[ 5905.042081] reverse device has been registered, buffer size is 8192 bytes
恭喜了！然而，目前這一行還只是假象而已 —— 還沒有設備節點呢。讓我們來搞定它。
混雜設備
在Linux中，有一種特殊的字符設備類型，叫做“混雜設備”（或者簡稱為“misc”）。它是專為單一接入點的小型設備驅動而設計的，而這正是我們所需要的。所有混雜設備共享同一個主設備號（10），因此一個驅動(drivers/char/misc.c）就可以查看它們所有設備了，而這些設備用次設備號來區分。從其他意義來說，它們只是普通字符設備。
要為該設備注冊一個次設備號（以及一個接入點），你需要聲明struct misc_device，填上所有字段（注意語法），然后使用指向該結構的指針作為參數來調用misc_register()。為此，你也需要包含linux/miscdevice.h頭文件：
static struct miscdevice reverse_misc_device = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "reverse",
.fops = &reverse_fops
};
static int __init reverse_init()
{
...
misc_register(&reverse_misc_device);
printk(KERN_INFO ...
}
這兒，我們為名為“reverse”的設備請求一個第一個可用的（動態的）次設備號；省略號表明我們之前已經見過的省略的代碼。別忘了在模塊卸下后注銷掉該設備。
static void __exit reverse_exit(void)
{
misc_deregister(&reverse_misc_device);
...
}
‘fops’字段存儲了一個指針，指向一個file_operations結構（在Linux/fs.h中聲明），而這正是我們模塊的接入點。reverse_fops定義如下：
static struct file_operations reverse_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = reverse_open,
...
.llseek = noop_llseek
};
另外，reverse_fops包含了一系列回調函數（也稱之為方法），當用戶空間代碼打開一個設備，讀寫或者關閉文件描述符時，就會執行。如果你要忽略這些回調，可以指定一個明確的回調函數來替代。這就是為什么我們將llseek設置為noop_llseek()，（顧名思義）它什么都不干。這個默認實現改變了一個文件指針，而且我們現在并不需要我們的設備可以尋址（這是今天留給你們的家庭作業）。
關閉和打開
讓我們來實現該方法。我們將給每個打開的文件描述符分配一個新的緩沖區，并在它關閉時釋放。這實際上并不安全：如果一個用戶空間應用程序泄漏了描述符（也許是故意的），它就會霸占RAM，并導致系統不可用。在現實世界中，你總得考慮到這些可能性。但在本教程中，這種方法不要緊。
我們需要一個結構函數來描述緩沖區。內核提供了許多常規的數據結構：鏈接列表（雙聯的），哈希表，樹等等之類。不過，緩沖區常常從頭設計。我們將調用我們的“struct buffer”：
struct buffer {
char *data, *end, *read_ptr;
unsigned long size;
};
data是該緩沖區存儲的一個指向字符串的指針，而end指向字符串結尾后的第一個字節。read_ptr是read()開始讀取數據的地方。緩沖區的size是為了保證完整性而存儲的 —— 目前，我們還沒有使用該區域。你不能假設使用你結構體的用戶會正確地初始化所有這些東西，所以最好在函數中封裝緩沖區的分配和收回。它們通常命名為buffer_alloc()和buffer_free()。
static struct buffer buffer_alloc(unsigned long size) { struct buffer *buf; buf = kzalloc(sizeof(buf), GFP_KERNEL); if (unlikely(!buf)) goto out; … out: return buf; }
內核內存使用kmalloc()來分配，并使用kfree()來釋放；kzalloc()的風格是將內存設置為全零。不同于標準的malloc()，它的內核對應部分收到的標志指定了第二個參數中請求的內存類型。這里，GFP_KERNEL是說我們需要一個普通的內核內存（不是在DMA或高內存區中）以及如果需要的話函數可以睡眠（重新調度進程）。sizeof(*buf)是一種常見的方式，它用來獲取可通過指針訪問的結構體的大小。
你應該隨時檢查kmalloc()的返回值：訪問NULL指針將導致內核異常。同時也需要注意unlikely()宏的使用。它（及其相對宏likely()）被廣泛用于內核中，用于表明條件幾乎總是真的（或假的）。它不會影響到控制流程，但是能幫助現代處理器通過分支預測技術來提升性能。
最后，注意goto語句。它們常常為認為是邪惡的，但是，Linux內核（以及一些其它系統軟件）采用它們來實施集中式的函數退出。這樣的結果是減少嵌套深度，使代碼更具可讀性，而且非常像更高級語言中的try-catch區塊。
有了buffer_alloc()和buffer_free()，open和close方法就變得很簡單了。
static int reverse_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int err = 0;
file->private_data = buffer_alloc(buffer_size);
...
return err;
}
struct file是一個標準的內核數據結構，用以存儲打開的文件的信息，如當前文件位置（file->f_pos)、標志(file->f_flags），或者打開模式（file->f_mode)等。另外一個字段file->privatedata用于關聯文件到一些專有數據，它的類型是void *，而且它在文件擁有者以外，對內核不透明。我們將一個緩沖區存儲在那里。
如果緩沖區分配失敗，我們通過返回否定值（-ENOMEM）來為調用的用戶空間代碼標明。一個C庫中調用的open(2)系統調用(如glibc)將會檢測這個并適當地設置errno 。
學習如何讀和寫
“read”和“write”方法是真正完成工作的地方。當數據寫入到緩沖區時，我們放棄之前的內容和反向地存儲該字段，不需要任何臨時存儲。read方法僅僅是從內核緩沖區復制數據到用戶空間。但是如果緩沖區還沒有數據，revers_eread()會做什么呢？在用戶空間中，read()調用會在有可用數據前阻塞它。在內核中，你就必須等待。幸運的是，有一項機制用于處理這種情況，就是‘wait queues’。
想法很簡單。如果當前進程需要等待某個事件，它的描述符（struct task_struct存儲‘current’信息）被放進非可運行（睡眠中）狀態，并添加到一個隊列中。然后schedule()就被調用來選擇另一個進程運行。生成事件的代碼通過使用隊列將等待進程放回TASK_RUNNING狀態來喚醒它們。調度程序將在以后在某個地方選擇它們之一。Linux有多種非可運行狀態，最值得注意的是TASK_INTERRUPTIBLE（一個可以通過信號中斷的睡眠）和TASK_KILLABLE（一個可被殺死的睡眠中的進程）。所有這些都應該正確處理，并等待隊列為你做這些事。
一個用以存儲讀取等待隊列頭的天然場所就是結構緩沖區，所以從為它添加wait_queue_headt read\queue字段開始。你也應該包含linux/sched.h頭文件。可以使用DECLARE_WAITQUEUE()宏來靜態聲明一個等待隊列。在我們的情況下，需要動態初始化，因此添加下面這行到buffer_alloc()：
init_waitqueue_head(&buf->read_queue);
我們等待可用數據；或者等待read_ptr != end條件成立。我們也想要讓等待操作可以被中斷（如，通過Ctrl+C）。因此，“read”方法應該像這樣開始：
static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out, size_t size, loff_t * off) { struct buffer *buf = file->private_data; ssize_t result; while (buf->read_ptr == buf->end) { if (file->f_flags & O_NONBLOCK) { result = -EAGAIN; goto out; } if (wait_event_interruptible (buf->read_queue, buf->read_ptr != buf->end)) { result = -ERESTARTSYS; goto out; } } ... |
我們讓它循環，直到有可用數據，如果沒有則使用wait_event_interruptible()（它是一個宏，不是函數，這就是為什么要通過值的方式給隊列傳遞）來等待。好吧，如果wait_event_interruptible()被中斷，它返回一個非0值，這個值代表-ERESTARTSYS。這段代碼意味著系統調用應該重新啟動。file->f_flags檢查以非阻塞模式打開的文件數：如果沒有數據，返回-EAGAIN。
我們不能使用if()來替代while()，因為可能有許多進程正等待數據。當write方法喚醒它們時，調度程序以不可預知的方式選擇一個來運行，因此，在這段代碼有機會執行的時候，緩沖區可能再次空出。現在，我們需要將數據從buf->data 復制到用戶空間。copy_to_user()內核函數就干了此事：
size = min(size, (size_t) (buf->end - buf->read_ptr));
if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {
result = -EFAULT;
goto out;
}
如果用戶空間指針錯誤，那么調用可能會失敗；如果發生了此事，我們就返回-EFAULT。記住，不要相信任何來自內核外的事物！
buf->read_ptr += size;
result = size;
out:
return result;
}
為了使數據在任意塊可讀，需要進行簡單運算。該方法返回讀入的字節數，或者一個錯誤代碼。
寫方法更簡短。首先，我們檢查緩沖區是否有足夠的空間，然后我們使用copy_from_userspace()函數來獲取數據。再然后read_ptr和結束指針會被重置，并且反轉存儲緩沖區內容：
buf->end = buf->data + size;
buf->read_ptr = buf->data;
if (buf->end > buf->data)
reverse_phrase(buf->data, buf->end - 1);
這里， reverse_phrase()干了所有吃力的工作。它依賴于reverse_word()函數，該函數相當簡短并且標記為內聯。這是另外一個常見的優化；但是，你不能過度使用。因為過多的內聯會導致內核映像徒然增大。
最后，我們需要喚醒read_queue中等待數據的進程，就跟先前講過的那樣。wake_up_interruptible()就是用來干此事的：
wake_up_interruptible(&buf->read_queue);
耶！你現在已經有了一個內核模塊，它至少已經編譯成功了。現在，是時候來測試了。
調試內核代碼
或許，內核中最常見的調試方法就是打印。如果你愿意，你可以使用普通的printk() （假定使用KERN_DEBUG日志等級）。然而，那兒還有更好的辦法。如果你正在寫一個設備驅動，這個設備驅動有它自己的“struct device”，可以使用pr_debug()或者dev_dbg()：它們支持動態調試（dyndbg）特性，并可以根據需要啟用或者禁用（請查閱Documentation/dynamic-debug-howto.txt）。對于單純的開發消息，使用pr_devel()，除非設置了DEBUG，否則什么都不會做。要為我們的模塊啟用DEBUG，請添加以下行到Makefile中：
CFLAGS_reverse.o := -DDEBUG
完了之后，使用dmesg來查看pr_debug()或pr_devel()生成的調試信息。 或者，你可以直接發送調試信息到控制臺。要想這么干，你可以設置console_loglevel內核變量為8或者更大的值（echo 8 /proc/sys/kernel/printk），或者在高日志等級，如KERN_ERR，來臨時打印要查詢的調試信息。很自然，在發布代碼前，你應該移除這樣的調試聲明。
注意內核消息出現在控制臺，不要在Xterm這樣的終端模擬器窗口中去查看；這也是在內核開發時，建議你不在X環境下進行的原因。
驚喜，驚喜！
編譯模塊，然后加載進內核：
$ make
$ sudo insmod reverse.ko buffer_size=2048
$ lsmod
reverse 2419 0
$ ls -l /dev/reverse
crw-rw-rw- 1 root root 10, 58 Feb 22 15:53 /dev/reverse
一切似乎就位。現在，要測試模塊是否正常工作，我們將寫一段小程序來翻轉它的第一個命令行參數。main()（再三檢查錯誤）可能看上去像這樣：
int fd = open("/dev/reverse", O_RDWR);
write(fd, argv[1], strlen(argv[1]));
read(fd, argv[1], strlen(argv[1]));
printf("Read: %s\n", argv[1]);
像這樣運行：
$ ./test 'A quick brown fox jumped over the lazy dog'
Read: dog lazy the over jumped fox brown quick A
它工作正常！玩得更逗一點：試試傳遞單個單詞或者單個字母的短語，空的字符串或者是非英語字符串（如果你有這樣的鍵盤布局設置），以及其它任何東西。
現在，讓我們讓事情變得更好玩一點。我們將創建兩個進程，它們共享一個文件描述符（及其內核緩沖區）。其中一個會持續寫入字符串到設備，而另一個將讀取這些字符串。在下例中，我們使用了fork(2)系統調用，而pthreads也很好用。我也省略打開和關閉設備的代碼，并在此檢查代碼錯誤（又來了）：
char *phrase = "A quick brown fox jumped over the lazy dog";
if (fork())
/* Parent is the writer */
while (1)
write(fd, phrase, len);
else
/* child is the reader */
while (1) {
read(fd, buf, len);
printf("Read: %s\n", buf);
}
你希望這個程序會輸出什么呢？下面就是在我的筆記本上得到的東西：
Read: dog lazy the over jumped fox brown quick A
Read: A kcicq brown fox jumped over the lazy dog
Read: A kciuq nworb xor jumped fox brown quick A
Read: A kciuq nworb xor jumped fox brown quick A
...
這里發生了什么呢？就像舉行了一場比賽。我們認為read和write是原子操作，或者從頭到尾一次執行一個指令。然而，內核確實無序并發的，隨便就重新調度了reverse_phrase()函數內部某個地方運行著的寫入操作的內核部分。如果在寫入操作結束前就調度了read()操作呢？就會產生數據不完整的狀態。這樣的bug非常難以找到。但是，怎樣來處理這個問題呢？
基本上，我們需要確保在寫方法返回前沒有read方法能被執行。如果你曾經編寫過一個多線程的應用程序，你可能見過同步原語（鎖），如互斥鎖或者信號。Linux也有這些，但有些細微的差別。內核代碼可以運行進程上下文（用戶空間代碼的“代表”工作，就像我們使用的方法）和終端上下文（例如，一個IRQ處理線程）。如果你已經在進程上下文中和并且你已經得到了所需的鎖，你只需要簡單地睡眠和重試直到成功為止。在中斷上下文時你不能處于休眠狀態，因此代碼會在一個循環中運行直到鎖可用。關聯原語被稱為自旋鎖，但在我們的環境中，一個簡單的互斥鎖 —— 在特定時間內只有唯一一個進程能“占有”的對象 —— 就足夠了。處于性能方面的考慮，現實的代碼可能也會使用讀-寫信號。
鎖總是保護某些數據（在我們的環境中，是一個“struct buffer”實例），而且也常常會把它們嵌入到它們所保護的結構體中。因此，我們添加一個互斥鎖（‘struct mutex lock’）到“struct buffer”中。我們也必須用mutex_init()來初始化互斥鎖；buffer_alloc是用來處理這件事的好地方。使用互斥鎖的代碼也必須包含linux/mutex.h。
互斥鎖很像交通信號燈 —— 要是司機不看它和不聽它的，它就沒什么用。因此，在對緩沖區做操作并在操作完成時釋放它之前，我們需要更新reverse_read()和reverse_write()來獲取互斥鎖。讓我們來看看read方法 —— write的工作原理相同：
static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out,
size_t size, loff_t * off)
{
struct buffer *buf = file->private_data;
ssize_t result;
if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {
result = -ERESTARTSYS;
goto out;
}
我們在函數一開始就獲取鎖。mutex_lock_interruptible()要么得到互斥鎖然后返回，要么讓進程睡眠，直到有可用的互斥鎖。就像前面一樣，_interruptible后綴意味著睡眠可以由信號來中斷。
while (buf->read_ptr == buf->end) {
mutex_unlock(&buf->lock);
/* ... wait_event_interruptible() here ... */
if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {
result = -ERESTARTSYS;
goto out;
}
}
下面是我們的“等待數據”循環。當獲取互斥鎖時，或者發生稱之為“死鎖”的情境時，不應該讓進程睡眠。因此，如果沒有數據，我們釋放互斥鎖并調用wait_event_interruptible()。當它返回時，我們重新獲取互斥鎖并像往常一樣繼續：
if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {
result = -EFAULT;
goto out_unlock;
}
...
out_unlock:
mutex_unlock(&buf->lock);
out:
return result;
最后，當函數結束，或者在互斥鎖被獲取過程中發生錯誤時，互斥鎖被解鎖。重新編譯模塊（別忘了重新加載），然后再次進行測試。現在你應該沒發現毀壞的數據了。
接下來是什么？
現在你已經嘗試了一次內核黑客。我們剛剛為你揭開了這個話題的外衣，里面還有更多東西供你探索。我們的第一個模塊有意識地寫得簡單一點，在從中學到的概念在更復雜的環境中也一樣。并發、方法表、注冊回調函數、使進程睡眠以及喚醒進程，這些都是內核黑客們耳熟能詳的東西，而現在你已經看過了它們的運作。或許某天，你的內核代碼也將被加入到主線Linux源代碼樹中 —— 如果真這樣，請聯系我們！