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撬开 Linux 内核的大门:手把手带你写一个内核模块

  • 2026-10-11 07:17:10
撬开 Linux 内核的大门:手把手带你写一个内核模块

一、从一段"事故"说起

很多年前我干过一件蠢事。

当时我在一台生产服务器上调一个网络驱动,改了一行代码,然后 insmod 加载新模块——结果机器直接 panic 了,屏幕哗啦啦刷了一堆 call trace,然后死得透透的。

那是我第一次真正意识到:内核模块不是普通程序,你写的每一行代码都直接跑在内核态,没有保护,出错了整个系统给你陪葬。

但也正是这种"危险",让内核编程有种独特的魅力。你不再是操作系统上的一个客人,你成了操作系统本身的一部分。

这篇文章是写给那些想往内核里探头看一眼,但又不知道从哪开始的朋友。我会尽量讲得接地气,顺便把 Linux 初始化级别这件事也说清楚——因为这两个话题天然绑在一起。


二、内核模块到底是个什么东西

一句话:内核模块就是一段可以在系统运行时动态加载和卸载的内核代码。

没有内核模块的年代,你想给 Linux 加个文件系统支持、加个设备驱动,怎么办?重新编译整个内核,然后重启。 想象一下,每插一个新硬件就得重编内核重启一次——那个年代的 Linux 用户活得挺不容易的。

内核模块改变了这一切。它的设计哲学很简单:

  • 内核只保留最核心的功能(进程调度、内存管理、中断处理……)
  • 其他的——文件系统、设备驱动、网络协议、安全模块——全部做成模块
  • 用到的时候 modprobe 加载,不用了就 rmmod 卸载

这和微内核的思路有某种精神上的相似,但 Linux 依然是宏内核架构。模块跑在内核空间,和内核共享同一个地址空间,调用的是内核导出的函数——它不是独立进程,它是内核的一部分。

你可以用 lsmod 看看你系统上此刻跑了多少模块:

$ lsmod | head -10Module                  Size  Used byxt_conntrack           16384  1nf_conntrack          139264  1 xt_conntracknf_defrag_ipv6         24576  1 nf_conntrackiptable_filter         16384  1bpfilter               32768  0

每个模块后面还标了引用计数(Used by),这就是在告诉你:删不掉别硬删。


三、一个最小的内核模块长什么样

理论说再多不如写一行代码。这是你能写出来的最短的、能跑的内核模块:

#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>static int __init hello_init(void){    printk(KERN_INFO "Hello, kernel world!\n");    return 0;}static void __exit hello_exit(void){    printk(KERN_INFO "Goodbye, kernel world!\n");}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("A Curious Developer");MODULE_DESCRIPTION("My first kernel module");

就这些,30 行不到。但麻雀虽小,五脏俱全,我们来拆开看看每一行在干什么。

3.1 头文件

#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>

注意:这是 内核头文件,不是 glibc 的头文件。你在内核态写代码,没有 printf,没有 malloc,没有 <stdio.h>。你用的每一个函数都是内核提供的。

module.h 给了你 module_init / module_exit 这些宏,kernel.h 给了你 printk。

3.2 入口函数

static int __init hello_init(void){    printk(KERN_INFO "Hello, kernel world!\n");    return 0;}

__init 是一个标记宏,告诉编译器:这个函数只在初始化阶段用一次,之后它的内存可以被回收。同样,后面会看到 __exit 用于卸载路径。

返回值 0 表示初始化成功。如果返回负数,模块加载会失败。

printk 是内核版的 printf,KERN_INFO 是日志级别。你可以用 dmesg 看到输出:

$ dmesg | tail -2[ 1234.567890] Hello, kernel world!

3.3 出口函数

static void __exit hello_exit(void){    printk(KERN_INFO "Goodbye, kernel world!\n");}

这会在你 rmmod 的时候被调用。如果你不定义出口函数,你的模块将无法被卸载——这是一个很容易踩的坑。

3.4 注册宏

module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);

这两个宏在背后做了很多脏活:它们把函数指针塞进内核的一个特殊段(.init.text 和 .exit.text),内核在合适的时机会去那里找到并调用它们。你不用关心具体细节,但要知道:没有这两个宏,你的函数只是普通函数,内核根本不知道它们是入口和出口。

3.5 模块元信息

MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("...");MODULE_DESCRIPTION("...");

MODULE_LICENSE 不是装饰品。如果你不声明 GPL 兼容的许可证,你将无法使用内核导出的 GPL-only 符号——基本上就是自断双臂。另外编译时内核还会给你甩一个 warning,提醒你污染了内核。


四、怎么编译和运行

光有 .c 文件没用,你得有 Makefile。内核模块的编译用的是内核构建系统(kbuild),不能直接用 gcc。

# Makefileobj-m += hello.oall:	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modulesclean:	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

这里 obj-m 表示编译成模块(m = module)。-C 指向你当前运行内核的构建目录。M=$(PWD) 告诉 kbuild 你的模块源码在哪里。

然后:

$ make                          # 编译$ sudo insmod hello.ko          # 加载模块$ dmesg | tail -1               # 看看输出$ lsmod | grep hello            # 确认已加载$ sudo rmmod hello              # 卸载模块$ dmesg | tail -1               # 看离开时的输出

如果你看到 "Hello, kernel world!" 和 "Goodbye, kernel world!"——恭喜,你已经是一个内核模块开发者了。

小提示:用 modprobe 而不是 insmod 可以自动处理依赖。但 modprobe 只会从标准模块目录(/lib/modules/...)查找,你自己写的模块得先用 insmod。


五、模块的生命周期——不止是加载和卸载

一个内核模块从生到死,经历了这几个阶段:

编译(.ko) → 加载(insmod) → 初始化(init) → 运行中 → 卸载(exit) → 清理                │                            ↑                └── 符号解析 & 依赖检查 ──────┘

加载时,内核做的事比你想象的多:

  1. ELF 解析
    :.ko 文件本质上是一个可重定位的 ELF 目标文件(你可以用 file hello.ko 验证)
  2. 符号解析
    :把模块里调用的内核函数(如 printk)和实际的函数地址对上
  3. 依赖检查
    :如果模块依赖其他模块,先加载依赖
  4. 许可证检查
    :看你的 MODULE_LICENSE 是否允许访问你调用的那些符号
  5. 调用 init 函数
  6. 回收 __init 标记的内存

卸载时反过来:检查引用计数(没人用才让走),调用 exit 函数,释放内存。

有一个常见的坑:如果你的 init 函数里启动了内核线程或注册了回调,但 exit 函数里没有清理干净,卸载模块会导致 use-after-free 或 kernel panic。 记住:你申请的资源,每一份都要在 exit 里还回去。内核不会帮你做垃圾回收。


六、printk 的日志级别——你的调试利器

printk 有 8 个日志级别,从高到低:

级别
宏
含义
0
KERN_EMERG
系统要挂了
1
KERN_ALERT
必须立刻处理
2
KERN_CRIT
严重错误
3
KERN_ERR
错误
4
KERN_WARNING
警告
5
KERN_NOTICE
正常但值得注意
6
KERN_INFO
信息
7
KERN_DEBUG
调试信息

默认情况下,只有级别小于 console_loglevel 的消息才会打印到控制台。你可以通过 /proc/sys/kernel/printk 查看和修改:

$ cat /proc/sys/kernel/printk7       4       1       7# 四个值:console_loglevel, default_level, minimum_console_level, default_console_loglevel

生产环境写模块,调试信息请用 KERN_DEBUG,别和系统日志混在一起。


七、带参数的内核模块——让模块更灵活

写死的模块不够实用,你可以在加载时传参数给它:

#include <linux/moduleparam.h>static int repeat = 1;module_param(repeat, int, 0644);MODULE_PARM_DESC(repeat, "How many times to say hello");static char *who = "world";module_param(who, charp, 0644);MODULE_PARM_DESC(who, "Who to greet");static int __init hello_init(void){    int i;    for (i = 0; i < repeat; i++)        printk(KERN_INFO "Hello, %s!\n", who);    return 0;}

加载时:

$ sudo insmod hello.ko repeat=5 who="kernel"

dmesg 会看到 5 行 "Hello, kernel!"。

module_param 的第三个参数是 sysfs 权限。设为 0644 意味着你可以通过 /sys/module/hello/parameters/repeat 在运行时读写这个参数。如果不需要运行时暴露,用 0000。


八、module_init 的底牌:内核 initcall 级别

前面我们一直在用 module_init() 和 module_exit(),但你可能不知道——module_init() 其实是一个幌子。

来看内核源码里 include/linux/module.h 的定义:

#define module_init(x)  __initcall(x);

而 __initcall 再展开:

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

真相是:module_init(my_init) 最终等价于 device_initcall(my_init)。

那 device_initcall 又是什么?这就引出了内核最核心的初始化机制——initcall 级别。

8.1 为什么需要分级别

内核启动时,要初始化的东西太多了:内存管理、调度器、中断控制器、定时器、文件系统、设备驱动……这些东西之间有严格的依赖关系。调度器没初始化完就去注册一个需要唤醒进程的驱动?直接翻车。

所以内核把初始化函数分了 8 个级别,从早到晚依次调用:

级别
宏
干什么的
0
early_initcall
最早,比多核都早,用的极少
0
pure_initcall
最基础的东西:cpu 能力检测
1
core_initcall
核心子系统:调度器、中断、定时器
2
postcore_initcall
核心附属:控制台、dma、iommu
3
arch_initcall
架构相关:ACPI、CPU 拓扑
4
subsys_initcall
总线系统:PCI、USB、I2C 等总线框架
5
fs_initcall
文件系统:VFS 缓存、proc、sysfs
6
device_initcall设备驱动
 ← module_init 就在这里
7
late_initcall
兜底的:最后再调,适合"等别人都好了我再上"

这就解释了为什么你在一个驱动模块里可以放心调用 kmalloc——因为内存管理在 core_initcall 级别就已经初始化完了,而你的驱动在 device_initcall 级别才起来。顺序保证了安全。

8.2 实现原理

内核不是用 switch-case 一个一个调函数——那样写死人。它用了一个很巧妙的方法:链接器脚本 + 函数指针数组。

每个级别的宏,本质上是把函数指针放到一个特定的 ELF section 里。比如:

#define core_initcall(fn)     __define_initcall(fn, 1)#define device_initcall(fn)  __define_initcall(fn, 6)

数字就是级别编号。编译完以后,不同级别的函数指针散落在 .init.data 的不同段里,启动时 do_initcalls() 按级别顺序遍历调用:

static void __init do_initcalls(void){    int level;    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels); level++)        do_initcall_level(level);}

所有 initcall 函数跑完之后,内核会释放掉整个 .init section 的内存(大概几百 KB),这些初始化代码只在启动时存在一次,之后就彻底消失了。

8.3 内置代码 vs 可加载模块

这里有一个容易搞混的地方。module_init() 的行为取决于你的代码是编译进内核还是编译成 .ko 模块:

  • 编译进内核
    (obj-y):module_init() → device_initcall(),函数在系统启动时自动调用
  • 编译成模块
    (obj-m):module_init() 变成一个别名,指向你的 init 函数,等 insmod 的时候才调用,调用时机完全由你决定

8.4 调试 initcall

如果你想知道每个 initcall 花了多少时间,加一个内核启动参数就行:

# 在 GRUB 的 cmdline 里加上initcall_debug

重启后 dmesg 会看到类似这样的输出:

[    0.020123] calling  init_timer_cpu_notifier+0x0/0x28 @ 1[    0.020456] initcall init_timer_cpu_notifier+0x0/0x28 returned 0 after 0 usecs[    0.020789] calling  spawn_ksoftirqd+0x0/0x30 @ 1[    0.021123] initcall spawn_ksoftirqd+0x0/0x30 returned 0 after 0 usecs

看到了吗——每行都标了 @ 1,这个数字就是 initcall 级别。对于排查启动性能问题,这个参数是神器。

8.5 和你写模块的关系

大多数情况下你不需要关心这些级别——写个简单模块,用 module_init() 就够了,它自动落在 device_initcall 级别。

但当你写的模块需要在其他设备驱动之前初始化(比如你写的是一个总线框架或一个中断控制器驱动),你就得考虑用更早的级别:

// 我这个驱动必须在 PCI 总线扫描之前初始化subsys_initcall(my_early_driver_init);

反过来,如果模块依赖某个子系统已经就绪,但你又不确定对方在什么级别初始化,那就用 late_initcall 兜底——"等你们所有人跑完了我再上"。

总的来说,initcall 机制回答了内核设计里一个根本问题:在正确的时机做正确的初始化。module_init 只是这个宏大体系里一个小小的、给普通驱动用的入口。


九、写内核模块容易踩的坑

分享几个我亲身踩过的坑,省得你再踩一遍:

9.1 忘记清理资源

这是排名第一的坑。kmalloc 了要 kfree,注册了 notifier 要注销,申请了 sysfs 入口要删除……内核里没有 RAII,没有智能指针,一切靠你自己记得。

9.2 在内核态做了会睡眠的事

中断上下文里不能睡眠。持有自旋锁时不能睡眠。但你调用 kmalloc(GFP_KERNEL) 可能就会睡眠。规则是:

  • 进程上下文 → 可以用 GFP_KERNEL
  • 中断/软中断上下文 → 只能用 GFP_ATOMIC

搞混了,内核会给你一个大大的 "scheduling while atomic" BUG。

9.3 内核版本兼容性

内核内部 API 不保证稳定。你在 5.15 上写的模块,放到 6.1 上可能就编译不过了。API 经常改名、改参数、甚至被整个移除。Linus 的名言是:"We don't break userspace, but we break internal kernel APIs all the time."

9.4 滥用 printk

在热路径里打 printk 是性能杀手。调试完记得删掉或者改用 tracepoint。

9.5 Makefile 写错

内核模块的 Makefile 必须用内核构建系统,不能直接用 gcc --shared 之类的。最可靠的写法就是照搬上面那个模板。


参考资料

  • [The Linux Kernel Module Programming Guide](https://sysprog21.github.io/lkmpg/) — 最好的入门教程,一直在更新
  • Linux 内核源码里的 Documentation/kbuild/modules.rst — kbuild 权威文档
  • 内核源码中的 include/linux/init.h — initcall 宏定义和级别编号,一目了然
  • 内核源码中的 samples/ 目录 — 官方提供的示例代码,比任何教程都权威

*这篇文章不会让你成为内核专家,但希望它能让你有勇气打开终端,敲下第一个 insmod。那个感觉,值一万行文档。*

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