黑客內核:編寫屬於你的第一個Linux內核模塊
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學習內核編程的最簡單的方式也許就是寫個內核模塊:一段可以動態載入進內核的代碼。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欄位(LCTT譯註: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並編譯一個模塊(這並不奇怪,它稱為樹外開發),如果你只是想稍微玩玩,而並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。
在本教程中,我們將開發一個簡單的內核模塊用以創建一個/dev/reverse設備。寫入該設備的字元串將以相反字序的方式讀回(「Hello World」讀成「World Hello」)。這是一個很受歡迎的程序員面試難題,當你利用自己的能力在內核級別實現這個功能時,可以使你得到一些加分。在開始前,有一句忠告:你的模塊中的一個bug就會導致系統崩潰(雖然可能性不大,但還是有可能的)和數據丟失。在開始前,請確保你已經將重要數據備份,或者,採用一種更好的方式,在虛擬機中進行試驗。
儘可能不要用root身份
默認情況下,/dev/reverse只有root可以使用,因此你只能使用sudo來運行你的測試程序。要解決該限制,可以創建一個包含以下內容的/lib/udev/rules.d/99-reverse.rules文件:
SUBSYSTEM=="misc", KERNEL=="reverse", MODE="0666"
別忘了重新插入模塊。讓非root用戶訪問設備節點往往不是一個好主意,但是在開發其間卻是十分有用的。這並不是說以root身份運行二進位測試文件也不是個好主意。
模塊的構造
由於大多數的Linux內核模塊是用C寫的(除了底層的特定於體系結構的部分),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——這裡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,並用預定義的宏來描述模塊:
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Valentine Sinitsyn <valentine.sinitsyn@gmail.com>");
MODULE_DESCRIPTION("In-kernel phrase reverser");
這裡一切都直接明了,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。
什麼時候不該寫內核模塊
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:
- 你要開發一個USB驅動 —— 請查看libusb。
- 你要開發一個文件系統 —— 試試FUSE。
- 你在擴展Netfilter —— 那麼libnetfilter_queue對你有所幫助。
通常,內核裡面代碼的性能會更好,但是對於許多項目而言,這點性能丟失並不嚴重。
由於內核編程總是非同步的,沒有一個main()函數來讓Linux順序執行你的模塊。取而代之的是,你要為各種事件提供回調函數,像這個:
static int __init reverse_init(void)
{
printk(KERN_INFO "reverse device has been registeredn");
return 0;
}
static void __exit reverse_exit(void)
{
printk(KERN_INFO "reverse device has been unregisteredn");
}
module_init(reverse_init);
module_exit(reverse_exit);
這裡,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,它們只是列印消息到內核環緩衝區(可以在用戶空間通過dmesg命令訪問);KERN_INFO是日誌級別(注意,沒有逗號)。__init和__exit是屬性 —— 聯結到函數(或者變數)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,會在初始化後釋放內存以供重用(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。最後,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。實際的函數名稱並不重要,你可以稱它們為init()和exit(),或者start()和stop(),你想叫什麼就叫什麼吧。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衝區來存儲參數 —— 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,我們定義了一個變數來存儲該值,封裝成一個參數,並通過sysfs來讓所有人可讀。這個參數的描述(最後一行)出現在modinfo的輸出中。
由於用戶可以直接設置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 —— 如果你不這麼做,你就是將自己置身於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 bytesn",
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。
如果基於終端的工具不是你的最愛,那麼就訪問http://lxr.free-electrons.com吧。它是一個基於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,或者等同的軟體包)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,然後運行如下命令:
$ 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,有一種特殊的字元設備類型,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,它們只是普通字元設備。
要為該設備註冊一個次設備號(以及一個接入點),你需要聲明struct misc_device,填上所有欄位(注意語法),然後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。別忘了在模塊卸下後註銷掉該設備。
static void __exit reverse_exit(void)
{
misc_deregister(&reverse_misc_device);
...
}
『fops』欄位存儲了一個指針,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。這就是為什麼我們將llseek設置為noop_llseek(),(顧名思義)它什麼都不幹。這個默認實現改變了一個文件指針,而且我們現在並不需要我們的設備可以定址(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衝區,並在它關閉時釋放。這實際上並不安全:如果一個用戶空間應用程序泄漏了描述符(也許是故意的),它就會霸佔RAM,並導致系統不可用。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衝區。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,緩衝區常常從頭設計。我們將調用我們的「struct buffer」:
struct buffer {
char *data, *end, *read_ptr;
unsigned long size;
};
data是該緩衝區存儲的一個指向字元串的指針,而end指向字元串結尾後的第一個位元組。read_ptr是read()開始讀取數據的地方。緩衝區的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衝區的分配和收回。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,並使用kfree()來釋放;kzalloc()的風格是將內存設置為全零。不同於標準的malloc(),它的內核對應部分收到的標誌指定了第二個參數中請求的內存類型。這裡,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())被廣泛用於內核中,用於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。
最後,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體)採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)、標誌(file->f_flags),或者打開模式(file->f_mode)等。另外一個欄位file->privatedata用於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。我們將一個緩衝區存儲在那裡。
如果緩衝區分配失敗,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)將會檢測這個並適當地設置errno 。
學習如何讀和寫
「read」和「write」方法是真正完成工作的地方。當數據寫入到緩衝區時,我們放棄之前的內容和反向地存儲該欄位,不需要任何臨時存儲。read方法僅僅是從內核緩衝區複製數據到用戶空間。但是如果緩衝區還沒有數據,revers_eread()會做什麼呢?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,有一項機制用於處理這種情況,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,並添加到一個隊列中。然後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。調度程序將在以後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,並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衝區,所以從為它添加wait_queue_headt readqueue欄位開始。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,這就是為什麼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,緩衝區可能再次空出。現在,我們需要將數據從buf->data 複製到用戶空間。copy_to_user()內核函數就幹了此事:
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,那麼調用可能會失敗;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。該方法返回讀入的位元組數,或者一個錯誤代碼。
寫方法更簡短。首先,我們檢查緩衝區是否有足夠的空間,然後我們使用copy_from_userspace()函數來獲取數據。再然後read_ptr和結束指針會被重置,並且反轉存儲緩衝區內容:
buf->end = buf->data + size;
buf->read_ptr = buf->data;
if (buf->end > buf->data)
reverse_phrase(buf->data, buf->end - 1);
這裡, reverse_phrase()幹了所有吃力的工作。它依賴於reverse_word()函數,該函數相當簡短並且標記為內聯。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。
最後,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列印。如果你願意,你可以使用普通的printk() (假定使用KERN_DEBUG日誌等級)。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,並可以根據需要啟用或者禁用(請查閱Documentation/dynamic-debug-howto.txt)。對於單純的開發消息,使用pr_devel(),除非設置了DEBUG,否則什麼都不會做。要為我們的模塊啟用DEBUG,請添加以下行到Makefile中:
CFLAGS_reverse.o := -DDEBUG
完了之後,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台。要想這麼干,你可以設置console_loglevel內核變數為8或者更大的值(echo 8 /proc/sys/kernel/printk),或者在高日誌等級,如KERN_ERR,來臨時列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台,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,然後載入進內核:
$ 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: %sn", 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,空的字元串或者是非英語字元串(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(及其內核緩衝區)。其中一個會持續寫入字元串到設備,而另一個將讀取這些字元串。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,並在此檢查代碼錯誤(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: %sn", buf);
}
你希望這個程序會輸出什麼呢?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
...
這裡發生了什麼呢?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,內核確實無序並發的,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並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於休眠狀態,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「佔有」的對象 —— 就足夠了。處於性能方面的考慮,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,它就沒什麼用。因此,在對緩衝區做操作並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()要麼得到互斥鎖然後返回,要麼讓進程睡眠,直到有可用的互斥鎖。就像前面一樣,_interruptible後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,我們釋放互斥鎖並調用wait_event_interruptible()。當它返回時,我們重新獲取互斥鎖並像往常一樣繼續:
if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {
result = -EFAULT;
goto out_unlock;
}
...
out_unlock:
mutex_unlock(&buf->lock);
out:
return result;
最後,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(別忘了重新載入),然後再次進行測試。現在你應該沒發現毀壞的數據了。
接下來是什麼?
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,裡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複雜的環境中也一樣。並發、方法表、註冊回調函數、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,請聯繫我們!
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