嵌入式驱动编程中结构体file_operations的第一个成员 struct module *owner 通常被赋值为 THIS_MODULE 这是怎么回事儿？【THIS_MODULE宏的详细介绍】

文件操作结构体file_operations的完整定义见博文 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144905840

嵌入式驱动编程中结构体file_operations的第一个成员 struct module *owner 通常被赋值为 THIS_MODULE 这是怎么回事儿？

比如下面的代码：

static const struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = led_open,
    .write = led_write,
};

我们在Linux的源码中(include\linux\export.h)可以查到THIS_MODULE是一个宏定义，具体如下：

#ifdef MODULE
extern struct module __this_module;
#define THIS_MODULE (&__this_module)
#else
#define THIS_MODULE ((struct module *)0)
#endif

把这段代码理解了，基本上就理解了，下面是详细讲解。

在 Linux 内核中，THIS_MODULE 是一个宏，用于指向当前驱动模块的 struct module 实例。它的作用是为模块提供元信息和生命周期管理支持。

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THIS_MODULE 的定义解读

#ifdef MODULE
extern struct module __this_module;
#define THIS_MODULE (&__this_module)
#else
#define THIS_MODULE ((struct module *)0)
#endif

1. MODULE 宏:

   • MODULE 是一个条件编译宏，当编译成模块（.ko 文件）时，编译器会定义 MODULE。
   • 如果模块被静态编译进内核（而不是动态加载的模块），MODULE 不会被定义。

2. __this_module:

   • 如果 MODULE 被定义，THIS_MODULE 会展开为 &__this_module，即当前模块的 struct module 实例。
   • __this_module 是一个由内核自动生成的全局变量，包含模块的相关信息，如模块名、引用计数等。

3. 静态内核情况:

   • 如果模块被静态编译进内核，MODULE 未定义，此时 THIS_MODULE 被设置为 NULL，因为静态内核中的模块不需要动态管理。

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THIS_MODULE 在驱动中的用途

THIS_MODULE 被赋值给 struct file_operations 的 owner 成员，主要用于模块的引用计数管理：

static struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = led_open,
    .read  = led_read,
    .write = led_write,
    .release = led_release,
};

1. 模块引用计数:

   • 当设备文件被打开时（调用 open 函数），内核会增加模块的引用计数，防止模块在使用过程中被卸载。
   • 当设备文件被关闭时（调用 release 函数），内核会减少引用计数。

2. 避免非法卸载:

   • 如果模块的引用计数大于 0，rmmod 命令无法卸载该模块，从而防止非法卸载可能导致的系统崩溃。

3. 动态模块管理:

   • 通过 THIS_MODULE，内核可以准确管理模块的生命周期，包括加载、使用和卸载。

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struct module 的结构

struct module 定义在 <linux/module.h> 中，主要包含以下信息：

struct module {
    const char *name;           // 模块名称
    struct list_head list;      // 模块链表
    struct module_kobject mkobj; // 模块的 kobject
    struct module_param_attrs *param_attrs; // 模块参数的 sysfs 接口
    struct list_head source_list; // 源文件相关信息
    unsigned int taints;        // 模块的 taints 标志
    struct mutex mutex;         // 模块互斥锁
    unsigned long state;        // 模块的状态
    ...
    unsigned int refcnt;        // 引用计数
    ...
};

• name: 模块名称。
• refcnt: 引用计数，记录模块被使用的次数。
• state: 模块状态，例如正在初始化、已加载等。

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在动态加载和静态内核中的差异

1. 动态加载模块:

   • 使用 THIS_MODULE，owner 会指向 &__this_module，从而实现引用计数管理。

2. 静态编译进内核:

   • THIS_MODULE 为 NULL，因为静态模块不会被卸载，也不需要引用计数管理。

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一个示例：模块的引用计数管理

假设一个设备驱动模块如下：

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

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

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

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = dev_open,
    .release = dev_release,
};

static int __init mod_init(void) {
    int major = register_chrdev(0, "my_device", &fops);
    printk(KERN_INFO "Module loaded, major number %d\n", major);
    return 0;
}

static void __exit mod_exit(void) {
    unregister_chrdev(0, "my_device");
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

module_init(mod_init);
module_exit(mod_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

1. 当设备文件 /dev/my_device 被打开时：

   • 内核通过 THIS_MODULE 增加引用计数，防止模块被卸载。
   • 调用 dev_open 函数。

2. 当设备文件被关闭时：

   • 内核通过 THIS_MODULE 减少引用计数。
   • 调用 dev_release 函数。

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总结

THIS_MODULE 是一个宏，用于引用当前模块的 struct module 实例【注意：当前模块的 struct module 的实例是由系统自动生成的】，主要作用是管理模块的引用计数，防止模块在使用过程中被非法卸载。它的工作机制依赖于内核的模块管理框架，与设备驱动的生命周期紧密相关。

由于我们编写的驱动程序本质上也是一个模块，所以我们需要用到宏THIS_MODULE 。