内核模块与应用程序的对比
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1. 内核模块与应用程序的对比
内核模块和应用程序之间的不同之处:
大多数中小规模的应用程序是从头到尾执行单个任务,而模块却只是预先注册自己以便服务于将来的某个请求,然后初始化函数立即结束。即模块初始化函数(hello_init)的任务就是为以后调用模块函数预先做准备。模块的退出函数(hello_exit)将在模块被卸载之前调用。
这和事件驱动编程有点类似,但不是所有的应用程序都是事件驱动的,而每个内核模块都是这样的。事件驱动程序和内核模块之间的另一个区别是,应用程序在退出时,可以不管资源的释放或者其他的清除工作,但模块的退出函数必须撤销初始化函数所做的一切,保证没有多余内容残留在系统中。
应用程序可以调用它并未定义的函数,因为链接过程能够解析外部引用,从而链接使用适当的函数库。而模块仅仅被链接到内核,因此模块能调用的函数仅仅是由内核导出的那些函数,而不存在任何可链接的函数库。因为没有任何函数库会和模块链接,因此源文件中不能包含通常应用程序的头文件。内核模块只能使用作为内核一部分的函数。和内核相关的大多数相关头文件保存在include/linux和include/asm目录中。
应用程序和内核编程的处理错误的方式不同,应用程序的段错误可以使用调试器跟踪到源代码中的问题,而内核错误即使不影响系统,也会杀死当前进程。
模块卸载的好处,有助于缩短模块化驱动程序的开发周期。
2. 用户空间和内核空间
模块运行在内核空间,应用程序运行在用户空间。
在Unix中,内核运行在*别,即超级用户态,这个级别可以进行所有的操作。而应用程序运行在最低级别,即用户态,这个级别处理器控制着对硬件的直接访问及对内存的非授权访问。
内核空间和用户空间,不仅说明两种模式具有不同的优先级等级,还说明每个模式都有自己的内存映射,即自己的地址空间。
当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时,Unix将执行模式从用户空间切换到内核空间。执行系统调用的内核代码运行在进程上下文中,代表调用进程执行操作。因此能够访问进程地址空间的所有数据。而处理器硬件中断的内核代码和进程时异步的,和任何一个进程无关。
模块化代码在内核空间运行,用于扩展内核功能。驱动程序要执行两类任务,模块中的某些函数作为系统调用的一部分执行;其他函数则负责中断处理。
3. 内核中的并发
内核编程和应用程序编程的区别在于对并发的处理。大部分应用程序,除了多线程应用程序外,通常都是顺序执行的。内核代码的运行环境更加复杂,即使是最简单的内核模块,都需要注意:同一时刻,可能会有很多事情发生。
内核编程必须考虑并发问题的原因:
- Linux系统中通常正在运行多个并发进程,并且可能有多个进程同时使用驱动程序;
- 大多数设备能够中断处理器,而中断处理程序异步运行,而且可能在驱动程序正试图处理其他任务时被调用;
- 有些软件抽象(如:内核定时器)也是异步运行的;
- Linux可能运行在对称多处理器系统(SMP),因此可能同时不止一个CPU运行驱动程序;
- Linux2.6内核代码已经是可抢占的,即使在单处理器系统上也存在类似多处理器系统的并发问题。
Linux内核代码(包括驱动程序)必须是可重入的,必须能够同时运行在多个上下文中。内核数据结构要保证多个线程分开执行,访问共享数据的代码必须避免破坏共享数据。驱动要能够处理并发问题,同时避免竞态。内核代码不能假定在给定代码段中能够独占处理器。
4. 当前进程
虽然内核模块不像应用程序那样顺序地执行,然而内核执行的大多数操作还是和某个特定进程相关。内核代码可通过访问全局项current来获得当前进程。
current在<asm/current.h>中定义,是一个指向struct task_struct的指针。current指针指向当前正在运行的进程。可以通过访问struct task_struct的某些成员来打印当前进程的进程ID和命令名:
printk(KERN_INFO "The process is \"%s\" (pid %i)\n",
current->comm, current->pid);
存储在current->comm成员中的命令名是当前进程所执行的程序文件的基本名称,裁剪在15个字符以内。
5. 其他细节
应用程序在虚拟内存中布局,并具有一块很大的栈空间。栈用来保存函数调用历史及当前活动函数中的自动变量。而内核具有很小的栈,可能只有一个4096字节大小的页空间。驱动的函数必须和整个内核空间调用链一同共享这个栈。因此,不能声明大的自动变量,如果需要大的结构,应该在调用时动态分配该结构。
在内核API中,具有双下划线(__)的函数名称,通常是接口的底层组件,应谨慎使用。
内核代码不能实现浮点数运算,内核代码中不需要浮点运算。
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