一文搞懂内核模块依赖

嵌入式ARM 2023-05-09 13:00

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

不知大家有没有想过，在一个内核模块代码中，会用到printk函数，而这个函数不是我们实现的，它是内核代码的一部分，但我们为什么能够编译通过呢？

我们的代码之所以能够编译通过，是因为对模块的编译仅仅是编译，并没有链接。

编译出来的.ko文件是一个普通的ELF文件，使用file命令和nm命令，我们可以看到相关的信息：

# file vser.ko
vser.ko ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, vserion 1 (SYSV), BuildID[sha1]=0x09ca747e6f75c65v19a5da9102113v98d7cea24, not stripped
# nm vser.ko
......
00000004 d port
    U printk
00000000 t vser_exit
00000000 t vser_init

vser_init和vser_exit分别是模块的入口函数和出口函数，使用nm命令查看模块目标文件的符号信息时，可以看到vser_exit和vser_init的符号类型是t，表示它们是函数。

而printk的符号类型是U，表示它是一个未决符号。意思是说在编译阶段不知道这个符号的地址，因为它被定义在其他文件中，没有放在模块代码一起编译。

那printk函数的地址问题怎么解决呢？答案是用EXPORT_SYMBOL宏将printk导出即可。

1、EXPORT_SYMBOL导出符号

大致原理：利用EXPORT_SYMBOL宏生成一个特定的结构并放在ELF文件的一个特定段中，在内核的启动过程中，会将符号的确切地址填充到这个结构的特定成员中。

模块加载时，加载程序将去处理未决符号，在特殊段中搜索符号的名字，如果找到，则将获得的地址填充在被加载模块的相应段中，这样符号的地址就可以确定。

使用这种方式处理未决符号，其实相当于把链接的过程推后，进行了动态链接，和普通的应用程序使用共享库函数的道理是类似的。可以发现，内核将会有大量的符号导出，为模块提供了丰富的基础设施。

2、内核模块依赖

通常情况下，一个模块只使用内核导出的符号，自己不导出符号。但是如果一个模块需要提供全局变量或函数给另外的模块使用，那么就需要将这些符号导出。

这在一个驱动调用另一个驱动代码时比较常见，这样模块和模块之间就形成了依赖关系，使用导出符号的模块将会依赖于导出符号的模块。

举个具体的例子，下面是两个C文件，vser.c调用了dep.c中的变量和函数：

vser.c

#include 
#include 
#include 

extern int expval;
extern void expfun(void);

static int __init vser_init(void)
{
 printk("vser_init\");
 printk("expval:%d\n", expval);
 expfun();
 
 return 0;
}

static void __exit vser_exit(void)
{
 printk("vser_exit\n");
}

module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);

dep.c

#include 
#include 

static int expval = 5;
EXPORT_SYMBOL(expval);

static void expfun(void)
{
 printk("expfun");
}EXPORT_SYMBOL_GPL(expfun);

Makefile关键处：

obj-m := vser.o
obj-m += dep.o

上述代码中，dep.c定义了一个变量expval和一个函数expfun，并分别用EXPORT_SYMBOL和EXPORT_SYMBOL_GPL导出。而vser.c里则调用了dep.c的变量和函数，编译安装后：

# modprobe vser
# dmesg
[58278.204677] vser_init
[58278.204683] expval:5
[58287.206464] expfun

从输出信息中可以看到，vser.c正确引用到了dep.c的变量和函数。

这里有三点重要说明：

如果使用insmod命令加载模块，则必须先加载dep模块，再加载vser模块。

因为vser模块用到了dep模块的东西。从这里可以看出，modprobe命令优于insmod命令的地方在于其可以自动加载被依赖的模块。而这又要归功于depmod命令，depmod命令会生成模块的依赖信息，保存在/lib/modules/5.10.111-64-generic/modules.dep文件中。其中，5.10.111-64-generic是内核源码版本。查看该文件可以发现vser模块所依赖的模块。

# cat /lib/modules/5.10.111-64-generic/modules.dep
......
extra/vser.ko: extra/dep.ko
extra/dep.ko:

两个模块存在依赖关系，如果分别编译两个模块，会出现类似下面的警告信息，并且即便加载顺序正确，加载也不会成功:

WARNING: "expfun" [/home/ubuntu/driver/module/vser.ko] undefined!
WARNING: "expval" [/home/ubuntu/driver/module/vser.ko] undefined!

# sudo insmod dep.ko
# sudo insmod vser.ko
insmod:error inserting 'vser.ko': -1 Invalid parameters

这是因为在编译vser模块时在内核的符号表中找不到expval和expfun的项，而vser模块又完全不知道dep模块的存在。

解决这个问题的方法是将两个模块放在一起编译，或者将dep模块放在内核源码中，先在内核源码下编译完所有的模块，再编译vser模块。