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電子與信息工程學(xué)院 題目 LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯 姓 名 孟長庚 學(xué) 號 20111309031 專 業(yè) 信息工程11級1班 指導(dǎo)老師 杜景林 二一四年 一月 一 日目錄1課程設(shè)計簡介31.1 課程設(shè)計的目的31.2 相關(guān)原理介紹31.3Linux內(nèi)核模塊程序結(jié)構(gòu)31.4內(nèi)核模塊的編譯32 設(shè)計實現(xiàn)42.1內(nèi)核線程查看 42.2帶參模塊的實現(xiàn)42.3 Makefile文件的編寫53測試總結(jié)63.1內(nèi)核線程查看測試63.2帶參模塊的實現(xiàn)測試74 總結(jié)9一課程設(shè)計簡介1.1 課程設(shè)計目的實現(xiàn)內(nèi)核編譯相關(guān)操作1.2 相關(guān)原理介紹內(nèi)核，是一個操作系統(tǒng)的核心。它負責(zé)管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。Linux的一個重要的特點就是其源代碼的公開性， Linux修補漏洞速度快以及對最新軟件技術(shù)的利用方便，而Linux的內(nèi)核則是這些特點的最直接的代表。擁有了內(nèi)核的源程序我們可以了解系統(tǒng)是如何工作的，通過通讀源代碼，我們就可以了解系統(tǒng)的工作原理。其次，我們可以針對自己的情況，量體裁衣，定制適合自己的系統(tǒng)，當(dāng)然這樣就需要重新編譯內(nèi)核。在不需要對內(nèi)核進行重新編譯的情況下，內(nèi)核模塊可以動態(tài)的載入內(nèi)核或從內(nèi)核移出改變內(nèi)核，極大縮短了驅(qū)動編寫和內(nèi)核開發(fā)的時間。1.3 Linux內(nèi)核模塊程序結(jié)構(gòu)一個Linux內(nèi)核模塊主要由如下幾個部分組成：(1) 模塊加載函數(shù)通過insmod或modprobe命令加載內(nèi)核模塊時，模塊的加載函數(shù)會自動被內(nèi)核執(zhí)行，完成本模塊的相關(guān)初始化工作。(2) 模塊卸載函數(shù)當(dāng)通過rmmod命令卸載某模塊時，模塊的卸載函數(shù)會自動被內(nèi)核執(zhí)行，完成與模塊加載函數(shù)相反的功能。(3) 模塊許可證聲明許可證（LICENSE）聲明描述內(nèi)核模塊的許可權(quán)限，這一部分是必須聲明的，如果不聲明LICENSE，模塊被加載時，將收到內(nèi)核被污染（module license unspecified taints kernel）的警告。在Linux 2.6內(nèi)核中，可接受的LICENSE有“GPL”、“GPL v2”、“GPL and additional rights”、“Dual BSD/GPL”、“Dual MPL/GPL”和“Proprietary”。大多數(shù)情況下，內(nèi)核模塊應(yīng)遵循GPL兼容許可權(quán)。其中最常用的許可是GPL和DualBSD/GPL。(4) 其他可選部分模塊參數(shù)，模塊參數(shù)是模塊被加載的時候可以被傳遞給它的值，它本身對應(yīng)模塊內(nèi)部的全局變量；模塊導(dǎo)出符號，內(nèi)核模塊可以導(dǎo)出符號（symbol，對應(yīng)于函數(shù)或變量），這樣其它模塊可以使用本模塊中的變量或函數(shù)；模塊作者等信息聲明。1.4 內(nèi)核模塊的編譯在Linux 2.6內(nèi)核中，模塊的編譯需要配置過的內(nèi)核源代碼；編譯過程首先回到內(nèi)核目錄下讀取頂層的Makefile文件，然后返回模塊源碼所在目錄，經(jīng)過編譯、鏈接后生成的內(nèi)核模塊文件的后綴為.ko。故內(nèi)核模塊的編譯需要自己寫Makefile文件，當(dāng)在命令行中執(zhí)行make命令時，將調(diào)用Makefile文件。二設(shè)計實現(xiàn)21 內(nèi)核線程查看設(shè)計一個模塊，該模塊功能是列出系統(tǒng)中所有內(nèi)核線程的程序名、PID號和進程狀態(tài)。該內(nèi)核模塊的功能類似于命令ps，只不過該模塊專查看內(nèi)核線程信息。首先在文件開始聲明一下模塊的許可證，即在文件中加入：MODULE_LICENSE(GPL);根據(jù)內(nèi)核模塊編程的模式，一個內(nèi)核模塊應(yīng)該至少包含兩個函數(shù)。一個初始化函數(shù) ，還有一個退出(干一些收尾清理的工作)的函數(shù)，當(dāng)內(nèi)核模塊被rmmod卸載時被執(zhí)行。從內(nèi)核版本2.3.13開始，可以為初始化和結(jié)束函數(shù)起任意的名字。 在該模塊內(nèi)。兩個函數(shù)分別命名為：static int kernel_thread_init(void)和static void kernel_thread_exit(void)。調(diào)用宏module_init()和module_exit()去注冊初始化和退出這兩個函數(shù)，即：module_init(kernel_thread_init);module_exit(kernel_thread_exit);到此內(nèi)核模塊基本框架基本完成。為了獲取到所有的內(nèi)核線程，可以使用宏for_each_process()。在內(nèi)核中有內(nèi)核線程組長鏈表，每個線程組長通過task_struc結(jié)構(gòu)的tasks成員加入該鏈表中。利用for_each_process()可以訪問到鏈表中的每一個進程。具體實現(xiàn)如下：struct task_struct *p;for_each_process(p) /相關(guān)函數(shù)及操作對遍歷到的每一個線程，讀取它的線程號、線程名稱以及線程狀態(tài)并輸出。當(dāng)線程狀態(tài)為0時輸出runnale，為-1時輸出unrunnable，為其他時則輸出stopped。在這里輸出函數(shù)并不能使用printf，printf是用戶空間的輸出函數(shù)，內(nèi)核空間使用的是printk，因為內(nèi)核沒有鏈接標(biāo)準(zhǔn)的C 函數(shù)庫。而實際上printk和printf的功能類似，printk是在內(nèi)核中運行的向控制臺輸出顯示的函數(shù)。printk日志輸出的級別一共有8個，由高到低分別為：KERN_EMERG、KERN_ALERT、KERN_CRIT、KERN_ERR、KERN_WARNING、KERN_NOTICE、KERN_INFO、KERN_DEBUG，默認采用的級別是 DEFAULT_ MESSAGE_LOGLEVEL（這個默認級別一般為,即與KERN_WARNING在一個級別上）。22 帶參模塊的實現(xiàn)設(shè)計一個帶參數(shù)的模塊，參數(shù)為進程的PID號，功能是列出進程的家族信息，包括父進程、兄弟進程和子進程的程序名、PID號。該模塊的基本框架和上一個模塊類似，聲明模塊許可證，注冊初始化和結(jié)束函數(shù)。不同之處是在該模塊中涉及到了模塊參數(shù)。在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中提供了一種模塊帶參數(shù)的機制，是模塊的編寫者可以在加載模塊的時候提供一下信息，這些參數(shù)對于模塊來說都是一個全局變量。定義一個模塊參數(shù)可通過module_param()實現(xiàn)：module_param(name，type，perm);參數(shù)name是用戶可見的參數(shù)名，也是模塊中存放模塊參數(shù)的變量名。參數(shù)type代表參數(shù)的類型，它可以是byte、short、int、long等類型。最后一個參數(shù)perm制定了模塊在sysfs文件系統(tǒng)下對應(yīng)的文件權(quán)限，可以使八進制的，也可以是S_Ifoo的定義形式，如S_RUGO|S_IWUSR等。在該模塊中，定義一個進程的PID作為參數(shù)，以實現(xiàn)任意進程家族信息的查詢，默認進程號為1，即在不添加參數(shù)情況下查看進程號為1的進程家族信息，具體實現(xiàn)如下：static int pid=1;module_param(pid,int,0644);為找到指定PID的進程，可以使用for_each_process(p)遍歷內(nèi)核所有進程，查找進程號為PID的進程。找到具體進程后，獲取進程的名稱。接下來判斷進程的父進程是否存在，若存在，在輸出父進程信息：if(p-real_parent=NULL) printk(No Parentn); else printk(Parent : %d %sn,p-real_parent-pid,p-real_parent-comm);下一步就是該搜索線程號為PID線程的兄弟進程及子進程。在Linux中采用多個鏈表確保有效查找系統(tǒng)里的進程，雙向鏈表list_head內(nèi)核中廣泛的使用。因為list_head一般嵌入到嚙合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為了便于訪問鏈表中的數(shù)據(jù)，內(nèi)核提供了一系列的宏來實現(xiàn)鏈表的常規(guī)操作2。在這里使用list_for_each()和list_entry()來實現(xiàn)兄弟進程和子進程的查找。在上一步中得到了要查找的進程，可以由此進程得到他父進程的所有子進程組成的鏈表p-real_parent-children和此進程子進程的鏈表p-children。定義一個list_head結(jié)構(gòu)體用于list_entry()中：struct list_head *pp;宏list_for_each(pp,&p-real_parent-children)遍歷p-real_parent-children鏈表，每次pp指向一個對象成員，而宏list_entry(pp,struct task_struct,sibling);進一步得到該對象的指針。具體實現(xiàn)兄弟進程和子進程遍歷如下：struct task_struct *p,*psibling;list_for_each(pp,&p-real_parent-children) psibling=list_entry(pp,struct task_struct,sibling); printk(sibling %d %s n,psibling-pid,psibling-comm);list_for_each(pp,&p-children) psibling=list_entry(pp,struct task_struct,sibling); printk(children %d %s n,psibling-pid,psibling-comm);上述過程將輸出得到的兄弟進程和子進程的pid號和進程名稱。23 Makefile文件的編寫Make工具最主要也是最基本的功能就是通過makefile文件來描述源程序之間的相互關(guān)系并自動維護編譯工作。而makefile 文件需要按照某種語法進行編寫，文件中需要說明如何編譯各個源文件并連接生成可執(zhí)行文件，并要求定義源文件之間的依賴關(guān)系。makefile 文件是許多編譯器-包括 Windows NT 下的編譯器-維護編譯信息的常用方法，只是在集成開發(fā)環(huán)境中，用戶通過友好的界面修改 makefile 文件而已。在Linux內(nèi)核模塊編程中，Makefile文件模版都類似，具體結(jié)構(gòu)如下：ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m :=目標(biāo)文件.oelseKDIR :=/lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD :=$(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) cleanendifKERNELRELEASE是在內(nèi)核源碼的頂層Makefile中定義的一個變量，在第一次讀取執(zhí)行此Makefile時，KERNELRELEASE沒有被定義，所以make將讀取執(zhí)行else之后的內(nèi)容。如果make的目標(biāo)是clean，直接執(zhí)行clean操作，然后結(jié)束。當(dāng)make的目標(biāo)為all時，-C $(KDIR) 指明跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核源碼目錄下讀取那里的Makefile；M=$(PWD)表明然后返回到當(dāng)前目錄繼續(xù)讀入、執(zhí)行當(dāng)前的Makefile。當(dāng)從內(nèi)核源碼目錄返回時，KERNELRELEASE已被被定義，此時第一行的ifneq成功，make將繼續(xù)讀取else之前的內(nèi)容。ifneq的內(nèi)容為kbuild語法的語句，指明模塊源碼中各文件的依賴關(guān)系，以及要生成的目標(biāo)模塊名。三 測試總結(jié)3.1內(nèi)核線程查看測試(1) 切換到內(nèi)核模塊所在路徑kernel_threads，在命令行中輸入make，得到如下結(jié)果：(2) 輸入ls 列出當(dāng)前目錄文件，可以看已生成kernel_threads.ko文件(3) 用命令insmod kernel_threads.ko載入模塊,并用lsmod查看模塊是否已載入,由下圖結(jié)果看以看到內(nèi)核已經(jīng)被載入。(4) 此時在控制臺無法看到內(nèi)核模塊輸出的信息，可以用dmesg查看內(nèi)核輸出信息，可以看到內(nèi)核已經(jīng)將搜索到的內(nèi)核線程信息輸出。(5) 最后用命令rmmod kernel_threads.ko將已加載的內(nèi)核卸載32 帶參模塊的實現(xiàn)測試(1) 切換到內(nèi)核模塊所在路徑thread_pid，在命令行中輸入make，得到如下結(jié)果：(2) 輸入ls 列出當(dāng)前目錄文件，可以看已生成thread_pid.ko文件(3) 用命令insmod thread_pid.ko載入模塊,并用lsmod查看模塊是否已載入,由下圖結(jié)果看以看到內(nèi)核已經(jīng)被載入。(4) 此時在控制臺無法看到內(nèi)核模塊輸出的信息，可以用dmesg查看內(nèi)核輸出信息，可以看到內(nèi)核已經(jīng)將搜索到的內(nèi)核線程信息輸出。(5) 最后用命令rmmod thread_pid.ko將已加載的內(nèi)核卸載四 總結(jié)Linux模塊是在內(nèi)核空間運行的程序，實際上是一種目標(biāo)對象文件，沒有鏈接，不能獨立運行，但是可以裝載到系統(tǒng)中作為內(nèi)核的一部分運行，從而可以動態(tài)擴充內(nèi)核的功能。Linux提供了內(nèi)核模塊這種功能強大的擴展方式，它不僅彌補了單內(nèi)核的一些不足，而且對性能沒有影響。通過內(nèi)核模塊機制，可以方便的進行內(nèi)核開發(fā)和驅(qū)動開發(fā)，而事實上Linux中大多數(shù)驅(qū)動和文件系統(tǒng)都是已內(nèi)核模塊方式實現(xiàn)的。在內(nèi)核模塊機制下，可以隨時在需要的情況下加載新的內(nèi)核模塊，而不需要重新編譯內(nèi)核和引導(dǎo)系統(tǒng)。當(dāng)內(nèi)核被加載到系統(tǒng)中時，他就成為內(nèi)核源