1. 什么是 Linux 内核模块？
1.1 定义
Linux 内核模块（Kernel Module）是 可动态加载和卸载的内核代码，它允许开发者在 无需重启系统 的情况下扩展内核功能，例如：
- 设备驱动（Drivers）
- 文件系统（File Systems）
- 网络协议（Network Protocols）
- 安全增强（Security Extensions）
1.2 为什么需要内核模块？
在没有内核模块的情况下，所有功能都需要编译进内核，这会导致：
- 大而臃肿：系统包含许多不必要的代码，占用内存。
- 不灵活：任何修改都需要重新编译并重启内核，影响系统稳定性。
内核模块的优势：
✅ 动态加载/卸载，提高灵活性
✅ 减少内存占用，按需加载
✅ 降低内核维护成本，方便调试
2. 内核模块的基本结构
2.1 一个最简单的内核模块
#include <linux/module.h> // 内核模块头文件
#include <linux/init.h> // __init 和 __exit 相关宏MODULE_LICENSE("GPL"); // 指定模块的许可证
MODULE_AUTHOR("Your Name"); // 作者
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Linux Kernel Module"); // 模块描述// 模块加载函数
static int __init my_module_init(void)
{printk(KERN_INFO "Hello, Kernel! My module is loaded.\n");return 0;
}// 模块卸载函数
static void __exit my_module_exit(void)
{printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel! My module is removed.\n");
}// 注册模块入口和退出函数
module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
2.2 关键宏解析
MODULE_LICENSE("GPL")规定模块的许可证，否则可能会触发taint（污染）警告。module_init()指定模块加载时执行的函数。module_exit()指定模块卸载时执行的函数。
2.3 编译、加载与卸载
创建 Makefile：
obj-m += my_module.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)all:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
编译：
make
加载模块：
sudo insmod my_module.ko
查看日志：
dmesg | tail -n 10
卸载模块：
sudo rmmod my_module
3. 设备驱动与字符设备
3.1 字符设备基础
字符设备是按字节流方式访问的设备，例如串口、键盘等。
3.2 字符设备驱动框架
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>#define DEVICE_NAME "mychardev"static dev_t dev_num;
static struct cdev my_cdev;static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {printk(KERN_INFO "Device opened\n");return 0;
}static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {printk(KERN_INFO "Device closed\n");return 0;
}static struct file_operations fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.release = my_release,
};static int __init my_module_init(void) {alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);cdev_init(&my_cdev, &fops);cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);printk(KERN_INFO "Char device registered\n");return 0;
}static void __exit my_module_exit(void) {cdev_del(&my_cdev);unregister_chrdev_region(dev_num, 1);printk(KERN_INFO "Char device unregistered\n");
}module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
4. Linux 内核模块面试高频问题
Q1: 你能解释一下 printk 和 dmesg 的作用吗？
解答：
printk()：内核日志打印函数，用于调试。dmesg：查看printk输出的命令。
示例：
printk(KERN_INFO "This is an informational message.\n");
常见的 KERN_ 级别：
KERN_EMERG：紧急情况KERN_ALERT：需要立即采取措施KERN_CRIT：严重错误KERN_ERR：错误信息KERN_WARNING：警告KERN_NOTICE：普通重要消息KERN_INFO：信息KERN_DEBUG：调试信息
Q2: module_init() 和 module_exit() 的作用是什么？
解答：
module_init()：定义内核模块加载时执行的函数。module_exit()：定义内核模块卸载时执行的函数。
Q3: 设备号是什么？如何分配？
解答：
设备号（Device Number）用于唯一标识设备，包括：
- 主设备号（Major Number）：表示设备类型（如磁盘、串口）。
- 次设备号（Minor Number）：区分同类设备。
分配方式：
dev_t dev_num;
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
或者使用 register_chrdev() 动态注册。
Q4: 你能解释一下 file_operations 结构体的作用吗？
解答：
file_operations 结构体用于定义设备驱动的操作，例如：
struct file_operations fops = {.open = my_open,.release = my_release,.read = my_read,.write = my_write,
};
它的作用类似于 系统调用接口，用于应用层和内核交互。
5. 结论
这篇文章介绍了 Linux 内核模块 的基本概念、代码示例、常见面试题及其解答。
对于初学者，建议从 加载和卸载模块 开始练习；对于高阶工程师，建议研究 字符设备驱动 和 面试考点，以深入理解 Linux 内核模块的运作机制。
欢迎留言交流！😊加粗样式
