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Linux中与“内核模块”相关的数据结构

2023-05-16

【摘要】本文详细解释了linux中与模块相关的内核数据结构，便于大家在学习理解内核源码或驱动编程中理解相应代码和思想。

三、内核模块相关的数据结构

目录

  • THIS_MODULE宏
  • module结构体
  • module_use

3.1 THIS_MODULE宏

  • 和CURRENT宏有几分相似，可以通过THIS_MODULE宏来引用模块的struct module结构指针。

  • 位于\linux-2.6.32.63\include\linux\module.h

    #ifdef MODULE
    #define MODULE_GENERIC_TABLE(gtype,name)            \
    extern const struct gtype##_id __mod_##gtype##_table        \
      __attribute__ ((unused, alias(__stringify(name))))
    
    extern struct module __this_module;
    #define THIS_MODULE (&__this_module)
#else  /* !MODULE */
    #define MODULE_GENERIC_TABLE(gtype,name)
    #define THIS_MODULE ((struct module *)0)
#endif

  • __this_module这个符号是在加载到内核后才产生的。insmod命令执行后，会调用kernel/module.c里的一个系统调用sys_init_module，它会调用load_module函数，将用户空间传入的整个内核模块文件创建成一个内核模块，并返回一个struct module结构体，从此，内核中便以这个结构体代表这个内核模块。THIS_MODULE类似进程的CURRENT。

  • 关于sys_init_module、load_module的系统调用内核代码原理分析，请参阅http://www.cnblogs.com/LittleHann/p/3920387.html

3.2 module结构体

  • struct module在内核中代表一个内核模块，通过insmod（实际执行sys_init_module系统调用）把自己编写的内核模块插入内核时，模块便与一个 struct module结构体相关联，并成为内核的一部分，也就是说在内核中，以module这个结构体代表一个内核模块（和windows下kprocess、kthread的概念很类似）。

    struct module
{
    /*
    1. enum module_state state
    enum module_state
    {
        MODULE_STATE_LIVE,    	//模块当前正常使用中(存活状态) 
        MODULE_STATE_COMING,    //模块当前正在被加载
        MODULE_STATE_GOING,    	//模块当前正在被卸载
    };
    load_module函数：完成模块的部分创建工作后，把状态置为 MODULE_STATE_COMING
    sys_init_module函数：完成模块的全部初始化工作后，把模块加入全局的模块列表，
    					调用模块本身的初始化函数)，把模块状态置为MODULE_STATE_LIVE
    使用rmmod工具卸载模块时，会调用系统调用delete_module，会把模块的状态置为MODULE_STATE_GOING
    */
    enum module_state state;

    /*
    2. struct list_head list
    list是作为一个列表的成员，所有的内核模块都被维护在一个全局链表中，
    链表头是一个全局变量struct module *modules。任何一个新创建的模块，都会被加入到这个链表的头部
    */
    struct list_head list;
    
    /*
    3. char name[MODULE_NAME_LEN]
    name是模块的名字，一般会拿模块文件的文件名作为模块名。它是这个模块的一个标识
    */
    char name[MODULE_NAME_LEN];

    struct module_kobject mkobj;	//见下文注释
 
    struct module_param_attrs *param_attrs;
    const char *version;
    const char *srcversion;
    
    /* Exported symbols */
    const struct kernel_symbol *syms;
    unsigned int num_syms;
    const unsigned long *crcs;

    /* GPL-only exported symbols. */
    const struct kernel_symbol *gpl_syms;
    unsigned int num_gpl_syms;
    const unsigned long *gpl_crcs;

    unsigned int num_exentries;
    const struct exception_table_entry *extable;

    int (*init)(void);
    /*
    初始化相关
    */
    void *module_init;
    void *module_core;
    unsigned long init_size, core_size;
    unsigned long init_text_size, core_text_size;
    struct mod_arch_specific arch;
    int unsafe;
    int license_gplok;

#ifdef CONFIG_MODULE_UNLOAD
    struct module_ref ref[NR_CPUS];
    struct list_head modules_which_use_me;
    struct task_struct *waiter;
    void (*exit)(void);
#endif

#ifdef CONFIG_KALLSYMS
    Elf_Sym *symtab;
    unsigned long num_symtab;
    char *strtab;
    struct module_sect_attrs *sect_attrs;
#endif
    void *percpu;
    char *args;
};

  • 关于struct module_kobject mkobj

    • 该成员是一个结构体类型，结构体的定义如下：

      struct module_kobject
{
    struct kobject kobj;
    struct module *mod;	//指向包容它的struct module成员 
};

    • module_kobject结构体中的kobject是组成设备模型的基本结构。设备模型是在2.6内核中出现的新的概念，实现对系统的一般性抽象描述。它最初只是被理解为一个简单的引用计数，但现在也有了很多成员，
      它所能处理的任务以及它所支持的代码包括：对象的引用计数；sysfs表述；结构关联；热插拔事件处理。下面是kobject结构的定义：

      struct kobject
{            
      //k_name和name都是该内核对象的名称，在内核模块的内嵌kobject中，名称即为内核模块的名称 
      const char      *k_name;
      char            name[KOBJ_NAME_LEN];
    
      /*
       *kref是该kobject的引用计数，新创建的kobject被加入到kset时(调用kobject_init)，
       *引用计数被加1，然后kobject跟它的parent建立关联时，引用计数被加1，所以一个新创建的
       *kobject，其引用计数总是为2
       */
      struct kref     kref; 

      //entry是作为链表的节点，所有同一子系统下的所有相同类型的kobject被链接成一个链表 
      struct list_head    entry; 

      //parent指向该kobject所属分层结构中的上一层节点，所有内核模块的parent是module
      struct kobject      *parent;

     /*
      * 成员kset就是嵌入相同类型结构的kobject集合。下面是struct kset结构体的定义：
          struct kset 
          {
              struct subsystem    *subsys;
              struct kobj_type    *ktype;
              struct list_head    list;
              spinlock_t          list_lock;
              struct kobject      kobj;
              struct kset_uevent_ops  * uevent_ops;
          };
      */
      struct kset         *kset; 

      //ktype则是模块的属性，这些属性都会在kobject的sysfs目录中显示
      struct kobj_type    *ktype;

      //dentry则是文件系统相关的一个节点
      struct dentry       *dentry;
};

  • 从struct module结构体可以看出，在内核态，我们如果要引用当前内核模块的链表，可以使用以下三个中的任意一个:

    • struct module->list
    • struct module->mkobj->kobj->entry
    • struct module->mkobj->kobj->kset

  • 拓展链接

    • http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/module.h
    • http://www.cs.fsu.edu/~baker/devices/lxr/http/source/linux/include/linux/module.h
    • http://blog.chinaunix.net/uid-9525959-id-2001630.html
    • http://blog.csdn.net/linweig/article/details/5044722

3.3 module_use

/*
 *source/include/linux/module.h
 */

/* modules using other modules: kdb wants to see this. */
struct module_use 
{
    struct list_head source_list;
    struct list_head target_list;
    struct module *source, *target;
};
  • "struct module_use"和"struct module->module_which_use_me"这两个结果共同组合和保证了内核模块中的依赖关系。
  • 如果模块B使用了模块A提供的函数，那么模块A和模块B之间就存在关系，可以从两个方面来看这种关系:
    1. 模块B依赖模块A——除非模块A已经驻留在内核内存，否则模块B无法装载。
    2. 模块B引用模块A——除非模块B已经移除，否则模块A无法从内核移除，在内核中，这种关系称之为"模块B使用模块A"。
  • 对每个使用了模块A中函数的模块B，都会创建一个module_use结构体实例，该实例将被添加到模块A(被依赖的模块)的module实例中的modules_which_use_me链表中，modules_which_use_me指向模块B的module实例。明白了模块间的依赖关系在数据结构上的表现，可以很容易地枚举出所有模块的依赖关系。
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