Kernel Module实战指南(二)：内核模块和应用程序的区别

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Introduction

你已经写出了第一个内核模块Hello World！有没有发现内核模块和应用程序写法的不同？
下面我将从概念和原理上进行介绍，内核模块和应用程序为什么不同。

内核模块和应用程序的区别

出入口

应用程序的入口始终是main()函数，而出口是main()函数的return。
内核模块的入口是init_module()，而出口是cleanup_module()。

函数库

应用程序可以调用很多C标准库中的函数，如printf()。这些函数都编译到libc中，只有当你的代码在编译的链接阶段时，才会和libc中实际的函数地址绑定。
内核模块则不同，内核中不存在标准库，自然没有类似printf()之类的函数。不过内核中提供了一些函数/符号，你可以通过下面的命令查看：

$ cat /proc/kallsyms | grep printk
...
0000000000000000 T printk
0000000000000000 T printk_emit
...

所有内核中可以用的函数/符号都在/proc/kallsyms，换句话说，你不能使用这里之外的函数/符号。

CPU执行模式

在Intel x86架构上中，有四种模式，也叫ring 0 - ring 3，模式之间的权限不同，这里的权限指的是对硬件设备的操作，如读写内存，读写硬盘等。
Linux使用其中两种模式，即内核模式/特权模式/supervisor mode/ring 0，以及用户模式/非特权模式/user mode/ring 3。
应用程序跑的代码，包括所调用的C标准库，都是跑在用户模式中。而内核模块跑的代码，都是跑在内核模式中。用户模式想要进入内核模式，入口之一便是系统调用函数。

用户态和内核态之间的交互

用户态和内核态进行交互的方式之一，是上面我们提到过系统调用函数。什么是系统调用函数？你可以简单认为，libc调用的下层函数，就是系统调用函数，如libc中open()的实现，最终需要调用系统调用函数__NR_open()，进入内核，在内核态中访问硬盘，打开文件。
另一种方式是设备驱动程序，Linux的设备驱动都存放在/dev下面，当用户态程序和设备驱动交互时，设备驱动在内核态执行代码逻辑，然后将结果返回给用户态。

设备驱动

查看硬盘驱动：

$ls -l /dev/sda*
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Jan 26 23:00 /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 1 Jan 26 23:00 /dev/sda1
brw-rw---- 1 root disk 8, 2 Jan 26 23:00 /dev/sda2
brw-rw---- 1 root disk 8, 3 Jan 26 23:00 /dev/sda3

如果你找不到sda，那么你可以查询ls -l /dev/hda*。
这里需要简单介绍一下，列的含义。第一列的b，是block的意思，代码这个设备是块设备（对应的是c, char字符设备）。

块设备：存储单位一般是固定大小的块，支持随机读写。对于读写请求有缓存，可以选择最佳的位置存储。（有没有想到硬盘的寻址算法？）
字符设备：存储大小不定，存储流式数据，一般不支持随机读写，只支持顺序读写。

8的意思是，驱动的主版本号是8，这个主版本号是给内核看的。
后面的0-3的意思是，副版本号是0-3，这个副版本号是给设备驱动程序看的，内核不关心。
这里只是抛砖迎玉，后面我们再详细介绍设备驱动。

Summary

我们进一步深入了内核模块，介绍了内核模块和应用程序的区别。虽然概念性内容偏多，但这却是理解内核模块的必经之路。