內核編程常常看起來像是黑魔法，而在亞瑟 C 克拉克的眼中，它八成就是了。Linux內核和它的用戶空間是大不相同的：拋開漫不經心，你必須小心翼翼，因為你編程中的一個bug就會影響到整個系統。浮點運算做起來可不容易，堆棧固定而狹小，而你寫的代碼總是異步的，因此你需要想想並發會導致什麼。而除了所有這一切之外，Linux內核只是一個很大的、很復雜的C程序，它對每個人開放，任何人都去讀它、學習它並改進它，而你也可以是其中之一。
學習內核編程的最簡單的方式也許就是寫個內核模塊：一段可以動態加載進內核的代碼。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字段（LCTT譯注：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。寫入該設備的字符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，采用一種更好的方式，在虛擬機中進行試驗。
盡可能不要用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身份運行二進制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：
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。
bash/shell Code復制內容到剪貼板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。
由於內核編程總是異步的，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：
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，它們只是打印消息到內核環緩沖區（可以在用戶空間通過dmesg命令訪問）；KERN_INFO是日志級別（注意，沒有逗號）。__init和__exit是屬性 —— 聯結到函數（或者變量）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沖區來存儲參數 —— 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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板這兒，我們定義了一個變量來存儲該值，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。
bash/shell Code復制內容到剪貼板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，或者等同的軟件包）和build-essential（或者類似的包）。接下來，該創建一個標准的Makefile模板：
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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板恭喜了！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，有一種特殊的字符設備類型，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，它們只是普通字符設備。
要為該設備注冊一個次設備號（以及一個接入點），你需要聲明struct misc_device，填上所有字段（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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板這兒，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注銷掉該設備。
bash/shell Code復制內容到剪貼板‘fops’字段存儲了一個指針，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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板另外，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）它什麼都不干。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尋址（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沖區，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洩漏了描述符（也許是故意的），它就會霸占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沖區。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，緩沖區常常從頭設計。我們將調用我們的“struct buffer”：
bash/shell Code復制內容到剪貼板data是該緩沖區存儲的一個指向字符串的指針，而end指向字符串結尾後的第一個字節。read_ptr是read()開始讀取數據的地方。緩沖區的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沖區的分配和收回。它們通常命名為buffer_alloc()和buffer_free()。
bash/shell Code復制內容到剪貼板內核內存使用kmalloc()來分配，並使用kfree()來釋放；kzalloc()的風格是將內存設置為全零。不同於標准的malloc()，它的內核對應部分收到的標志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件）采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。
bash/shell Code復制內容到剪貼板struct file是一個標准的內核數據結構，用以存儲打開的文件的信息，如當前文件位置（file->f_pos)、標志(file->f_flags），或者打開模式（file->f_mode)等。另外一個字段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。我們將一個緩沖區存儲在那裡。
如果緩沖區分配失敗，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。當數據寫入到緩沖區時，我們放棄之前的內容和反向地存儲該字段，不需要任何臨時存儲。read方法僅僅是從內核緩沖區復制數據到用戶空間。但是如果緩沖區還沒有數據，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沖區，所以從為它添加wait_queue_headt read\queue字段開始。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()：
bash/shell Code復制內容到剪貼板我們等待可用數據；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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板...
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，緩沖區可能再次空出。現在，我們需要將數據從buf->data 復制到用戶空間。copy_to_user()內核函數就干了此事：
bash/shell Code復制內容到剪貼板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！
bash/shell Code復制內容到剪貼板為了使數據在任意塊可讀，需要進行簡單運算。該方法返回讀入的字節數，或者一個錯誤代碼。
寫方法更簡短。首先，我們檢查緩沖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，並且反轉存儲緩沖區內容：
bash/shell Code復制內容到剪貼板這裡， reverse_phrase()干了所有吃力的工作。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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板
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打印。如果你願意，你可以使用普通的printk() （假定使用KERN_DEBUG日志等級）。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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板完了之後，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內核變量為8或者更大的值（echo 8 /proc/sys/kernel/printk），或者在高日志等級，如KERN_ERR，來臨時打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，然後加載進內核：
bash/shell Code復制內容到剪貼板一切似乎就位。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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板像這樣運行：
bash/shell Code復制內容到剪貼板現在，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（及其內核緩沖區）。其中一個會持續寫入字符串到設備，而另一個將讀取這些字符串。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）：
bash/shell Code復制內容到剪貼板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“占有”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，在對緩沖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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板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。
bash/shell Code復制內容到剪貼板下面是我們的“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：
bash/shell Code復制內容到剪貼板最後，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（別忘了重新加載），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復雜的環境中也一樣。並發、方法表、注冊回調函數、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，請聯系我們！