深入理解 Linux 内核模块：核心知识、实战解析与高频面试题

1. 什么是 Linux 内核模块？

1.1 定义

Linux 内核模块（Kernel Module）是 可动态加载和卸载的内核代码，它允许开发者在 无需重启系统 的情况下扩展内核功能，例如：

• 设备驱动（Drivers）
• 文件系统（File Systems）
• 网络协议（Network Protocols）
• 安全增强（Security Extensions）
  

1.2 为什么需要内核模块？

在没有内核模块的情况下，所有功能都需要编译进内核，这会导致：

1. 大而臃肿：系统包含许多不必要的代码，占用内存。
2. 不灵活：任何修改都需要重新编译并重启内核，影响系统稳定性。

内核模块的优势：
✅ 动态加载/卸载，提高灵活性
✅ 减少内存占用，按需加载
✅ 降低内核维护成本，方便调试

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2. 内核模块的基本结构

2.1 一个最简单的内核模块

#include <linux/module.h>   // 内核模块头文件
#include <linux/init.h>     // __init 和 __exit 相关宏

MODULE_LICENSE("GPL");  // 指定模块的许可证
MODULE_AUTHOR("Your Name");  // 作者
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Linux Kernel Module");  // 模块描述

// 模块加载函数
static int __init my_module_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel! My module is loaded.\n");
    return 0;
}

// 模块卸载函数
static void __exit my_module_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel! My module is removed.\n");
}

// 注册模块入口和退出函数
module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

2.2 关键宏解析

• MODULE_LICENSE("GPL") 规定模块的许可证，否则可能会触发 taint（污染）警告。
• module_init() 指定模块加载时执行的函数。
• module_exit() 指定模块卸载时执行的函数。

2.3 编译、加载与卸载

创建 Makefile：

obj-m += my_module.o  
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

编译：

make

加载模块：

sudo insmod my_module.ko

查看日志：

dmesg | tail -n 10

卸载模块：

sudo rmmod my_module

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3. 设备驱动与字符设备

3.1 字符设备基础

字符设备是按字节流方式访问的设备，例如串口、键盘等。

3.2 字符设备驱动框架

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>

#define DEVICE_NAME "mychardev"

static dev_t dev_num;
static struct cdev my_cdev;

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device opened\n");
    return 0;
}

static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device closed\n");
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .release = my_release,
};

static int __init my_module_init(void) {
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);
    cdev_init(&my_cdev, &fops);
    cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
    printk(KERN_INFO "Char device registered\n");
    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void) {
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk(KERN_INFO "Char device unregistered\n");
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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4. Linux 内核模块面试高频问题

Q1: 你能解释一下 printk 和 dmesg 的作用吗？

解答：

• printk()：内核日志打印函数，用于调试。
• dmesg：查看 printk 输出的命令。

示例：

printk(KERN_INFO "This is an informational message.\n");

常见的 KERN_ 级别：

• KERN_EMERG：紧急情况
• KERN_ALERT：需要立即采取措施
• KERN_CRIT：严重错误
• KERN_ERR：错误信息
• KERN_WARNING：警告
• KERN_NOTICE：普通重要消息
• KERN_INFO：信息
• KERN_DEBUG：调试信息

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Q2: module_init() 和 module_exit() 的作用是什么？

解答：

• module_init()：定义内核模块加载时执行的函数。
• module_exit()：定义内核模块卸载时执行的函数。

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Q3: 设备号是什么？如何分配？

解答：
设备号（Device Number）用于唯一标识设备，包括：

• 主设备号（Major Number）：表示设备类型（如磁盘、串口）。
• 次设备号（Minor Number）：区分同类设备。

分配方式：

dev_t dev_num;
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");

或者使用 register_chrdev() 动态注册。

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Q4: 你能解释一下 file_operations 结构体的作用吗？

解答：
file_operations 结构体用于定义设备驱动的操作，例如：

struct file_operations fops = {
    .open = my_open,
    .release = my_release,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
};

它的作用类似于 系统调用接口，用于应用层和内核交互。

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5. 结论

这篇文章介绍了 Linux 内核模块 的基本概念、代码示例、常见面试题及其解答。
对于初学者，建议从 加载和卸载模块 开始练习；对于高阶工程师，建议研究 字符设备驱动 和 面试考点，以深入理解 Linux 内核模块的运作机制。

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