不知道在什幺時(shí)候，Linux 出現(xiàn)了 module 這種東西，的確，它是 Linux 的一大革新。有了 module 之后，寫 device driver 不再是一項(xiàng)惡夢(mèng)，修改 kernel 也不再是一件痛苦的事了。因?yàn)槟悴恍枰看我獪y(cè)試 driver 就重新 compile kernel 一次。那簡直是會(huì)累死人。Module 可以允許我們動(dòng)態(tài)的改變 kernel，加載 device driver，而且它也能縮短我們 driver development 的時(shí)間。在這篇文章里，我將要跟各位介紹一下 module 的原理，以及如何寫一個(gè) module。
　　module 翻譯成中文就是模塊，不過，事實(shí)上去翻譯這個(gè)字一點(diǎn)都沒意義。在講模塊之前，我先舉一個(gè)例子。相信很多人都用過 RedHat。在 RedHat 里，我們可以執(zhí)行 sndconfig，它可以幫我們 config 聲卡。config 完之后如果捉得到你的聲卡，那你的聲卡馬上就可以動(dòng)了，而且還不用重新激活計(jì)算機(jī)。這是怎幺做的呢 ？ 就是靠module。module 其實(shí)是一般的程序。但是它可以被動(dòng)態(tài)載到 kernel 里成為 kernel的一部分。載到 kernel 里的 module 它具有跟 kernel 一樣的權(quán)力。可以 access 任何 kernel 的 data structure。你聽過 kdebug 嗎 ？ 它是用來 debug kernel 的。它就是先將它本身的一個(gè) module 載到 kernel 里，而在 user space 的 gdb 就可以經(jīng)由跟這個(gè) module 溝通，得知 kernel 里的 data structure 的值，除此之外，還可以經(jīng)由載到 kernel 的 module 去更改 kernel 里 data structure。
　　我們知道，在寫 C 程序的時(shí)候，一個(gè)程序只能有一個(gè) main。Kernel 本身其實(shí)也是一個(gè)程序，它本身也有個(gè) main，叫 start_kernel（）。當(dāng)我們把一個(gè) module 載到 kernel 里的時(shí)候，它會(huì)跟 kernel 整合在一起，成為 kernel 的一部分。請(qǐng)各位想想，那 module 可以有 main 嗎 ？ 答案很明顯的，是 No。理由很簡單。一個(gè)程序只能有一個(gè) main。在使用 module 時(shí)，有一點(diǎn)要記住的是 module 是處于被動(dòng)的角色。它是提供某些功能讓別人去使用的。
　　Kernel 里有一個(gè)變量叫 module_list，每當(dāng) user 將一個(gè) module 載到 kernel 里的時(shí)候，這個(gè) module 就會(huì)被記錄在 module_list 里面。當(dāng) kernel 要使用到這個(gè) module 提供的 function 時(shí)，它就會(huì)去 search 這個(gè) list，找到 module，然后再使用其提供的 function 或 variable。每一個(gè) module 都可以 export 一些 function 或變量來讓別人使用。除此之外，module 也可以使用已經(jīng)載到 kernel 里的 module 提供的 function。這種情形叫做 module stack。比方說，module A 用到 module B 的東西，那在加載 module A 之前必須要先加載 module B。否則 module A 會(huì)無法加載。除了 module 會(huì) export 東西之外，kernel 本身也會(huì) export 一些 function 或 variable。同樣的，module 也可以使用 kernel 所 export 出來的東西。由于大家平時(shí)都是撰寫 user space 的程序，所以，當(dāng)突然去寫 module 的時(shí)候，會(huì)把平時(shí)寫程序用的 function 拿到 module 里使用。像是 printf 之類的東西。我要告訴各位的是，module 所使用的 function 或 variable，要嘛就是自己寫在 module 里，要嘛就是別的 module 提供的，再不就是 kernel 所提供的。你不能使用一般 libc 或 glibc所提供的 function。像 printf 之類的東西。這一點(diǎn)可能是各位要多小心的地方。（也許你可以先 link 好，再載到 kernel，我好象試過，但是忘了）
　　剛才我們說到 kernel 本身會(huì) export 出一些 function 或 variable 來讓 module 使用，但是，我們不是萬能的，我們?cè)蹒壑?kernel 有開放那里東西讓我們使用呢 ？ Linux 提供一個(gè) command，叫 ksyms，你只要執(zhí)行 ksyms -a 就可以知道 kernel 或目前載到 kernel 里的 module 提供了那些 function 或 variable。底下是我的系統(tǒng)的情形：
　　c0216ba0 drive_info_R744aa133
　　c01e4a44 boot_cpu_data_R660bd466
　　c01e4ac0 EISA_bus_R7413793a
　　c01e4ac4 MCA_bus_Rf48a2c4c
　　c010cc34 __verify_write_R203afbeb
　　。 . 。 . 。
　　在 kernel 里，有一個(gè) symbol table 是用來記錄 export 出去的 function 或 variable。除此之外，也會(huì)記錄著那個(gè) module export 那些 function。上面幾行中，表示 kernel 提供了 drive_info 這個(gè) function/variable。所以，我們可以在 kernel 里直接使用它，等載到 kernel 里時(shí)，會(huì)自動(dòng)做好 link 的動(dòng)作。由此，我們可以知道，module 本身其實(shí)是還沒做 link 的一些 object code。一切都要等到 module 被加載 kernel 之后，link 才會(huì)完成。各位應(yīng)該可以看到 drive_info 后面還接著一些奇怪的字符串。_R744aa133，這個(gè)字符串是根據(jù)目前 kernel 的版本再做些 encode 得出來的結(jié)果。為什幺額外需要這一個(gè)字符串呢 ？
　　Linux 不知道從那個(gè)版本以來，就多了一個(gè) config 的選項(xiàng)，叫做 Set version number in symbols of module。這是為了避免對(duì)系統(tǒng)造成不穩(wěn)定。我們知道 Linux 的 kernel 更新的很快。在 kernel 更新的過程，有時(shí)為了效率起見，會(huì)對(duì)某些舊有的 data structure 或 function 做些改變，而且一變可能有的 variable 被拿掉，有的 function 的 prototype 跟原來的都不太一樣。如果這種情形發(fā)生的時(shí)候，那可能以前 2.0.33 版本的 module 拿到 2.2.1 版本的 kernel 使用，假設(shè)原來 module 使用了 2.0.33 kernel 提供的變量叫 A，但是到了 2.2.1 由于某些原因必須把 A 都設(shè)成 NULL。那當(dāng)此 module 用在 2.2.1 kernel 上時(shí)，如果它沒去檢查 A 的值就直接使用的話，就會(huì)造成系統(tǒng)的錯(cuò)誤。也許不會(huì)整個(gè)系統(tǒng)都死掉，但是這個(gè) module 肯定是很難發(fā)揮它的功能。為了這個(gè)原因，Linux 就在 compile module 時(shí)，把 kernel 版本的號(hào)碼 encode 到各個(gè) exported function 和 variable 里。
　　所以，剛才也許我們不應(yīng)該講 kernel 提供了 drive_info，而應(yīng)該說 kernel 提供了 driver_info_R744aa133 來讓我們使用。這樣也許各位會(huì)比較明白。也就是說，kernel 認(rèn)為它提供的 driver_info_R744aa133 這個(gè)東西，而不是 driver_info。所以，我們可以發(fā)現(xiàn)有的人在加載 module 時(shí)，系統(tǒng)都一直告訴你某個(gè) function 無法 resolved。這就是因?yàn)?kernel 里沒有你要的 function，要不然就是你的 module 里使用的 function 跟 kernel encode 的結(jié)果不一樣。所以無法 resolve。解決方式，要嘛就是將 kernel 里的 set version 選項(xiàng)關(guān)掉，要嘛就是將 module compile 成 kernel 有辦法接受的型式。
　　那有人就會(huì)想說，如果 kernel 認(rèn)定它提供的 function 名字叫做 driver_info_R744aa133 的話，那我們寫程序時(shí)，是不是用到這個(gè) funnction 的地方都改成 driver_info_R744aa133 就可以了。答案是 Yes。但是，如果每個(gè) function 都要你這樣寫，你不會(huì)覺得很煩嗎 ？ 比方說，我們?cè)趯?driver 時(shí)，很多人都會(huì)用到 printk 這個(gè) function。這是 kernel 所提供的 function。它的功能跟 printf 很像。用法也幾乎都一樣。是 debug 時(shí)很好用的東西。如果我們 module 里用了一百次 printk，那是不是我們也要打一百次的 printk_Rdd132261 呢 ？ 當(dāng)然不是，聰明的人馬上會(huì)想到用 #define printk printk_Rdd132261 就好了嘛。所以啰，Linux 很體貼的幫我們做了這件事。
　　如果各位的系統(tǒng)有將 set version 的選項(xiàng)打開的話，那大家可以到 /usr/src/linux/include/linux/modules 這個(gè)目錄底下。這個(gè)目錄底下有所多的 。.ver檔案。這些檔案其實(shí)就是用來做 #define 用的。我們來看看 ksyms.ver 這個(gè)檔案里，里面有一行是這樣子的 ：
　　#define printk _set_ver（printk）
　　set_ver 是一個(gè) macro，就是用來在 printk 后面加上 version number 的。有興趣的朋友可以自行去觀看這個(gè) macro 的寫法。用了這些 ver 檔，我們就可以在 module 里直接使用 printk 這樣的名字了。而這些 ver 檔會(huì)自動(dòng)幫我們做好 #define 的動(dòng)作。可是，我們可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)目錄有很多很多的 ver 檔。有時(shí)候，我們?cè)蹒壑牢覀円艚械?function 是在那個(gè) ver 檔里有定義呢 ？ Linux 又幫我們做了一件事。/usr/src/linux/include/linux/modversions.h 這個(gè)檔案已經(jīng)將全部的 ver 檔都加進(jìn)來了。所以在我們的 module 里只要 include 這個(gè)檔，那名字的問題都解決了。但是，在此，我們奉勸各位一件事，不要將 modversions.h 這個(gè)檔在 module 里 include 進(jìn)來，如果真的要，那也要加上以下數(shù)行：
　　#ifdef MODVERSIONS
　　#include 《linux/modversions.h》;
　　#endif
　　加入這三行的原因是，避免這個(gè) module 在沒有設(shè)定 kernel version 的系統(tǒng)上，將 modversions.h 這個(gè)檔案 include 進(jìn)來。各位可以去試試看，當(dāng)你把 set version 的選項(xiàng)關(guān)掉時(shí)，modversions.h 和 modules 這個(gè)目錄都會(huì)不見。如果沒有上面三行，那 compile 就不會(huì)過關(guān)。所以一般來講，modversions.h 我們會(huì)選擇在 compile 時(shí)傳給 gcc 使用。就像下面這個(gè)樣子。
　　gcc -c -D__KERNEL__ -DMODULE -DMODVERSIONS main.c
　　-include usr/src/linux/include/linux/modversions.h
　　在這個(gè) command line 里，我們看到了 -D__KERNEL__，這是說要定義 __KERNEL__ 這個(gè) constant。很多跟 kernel 有關(guān)的 header file，都必須要定義這個(gè) constant 才能 include 的。所以建議你最好將它定義起來。另外還有一個(gè) -DMODVERSIONS。這個(gè) constant 我剛才忘了講。剛才我們說要解決 fucntion 或 variable 名字 encode 的方式就是要 include modversions.h，其實(shí)除此之外，你還必須定義 MODVERSIONS 這個(gè) constant。再來就是 MODULE 這個(gè) constant。其實(shí)，只要是你要寫 module 就一定要定義這個(gè)變量。而且你還要 include module.h 這個(gè)檔案，因?yàn)?_set_ver 就是定義在這里的。
　　講到這里，相信各位應(yīng)該對(duì) module 有一些認(rèn)識(shí)了，以后遇到 module unresolved 應(yīng)該不會(huì)感到困惑了，應(yīng)該也有辦法解決了。
　　剛才講的都是使用別人的 function 上遇到的名字 encode 問題。但是，如果我們自己的 module 想要 export 一些東西讓別的 module 使用呢。很簡單。在 default 上，在你的 module 里所有的 global variable 和 function 都會(huì)被認(rèn)定為你要 export 出去的。所以，如果你的 module 里有 10 個(gè) global variable，經(jīng)由 ksyms，你可以發(fā)現(xiàn)這十個(gè) variable 都會(huì)被 export 出去。這當(dāng)然是個(gè)很方便的事啦，但是，你知道，有時(shí)候我們根本不想把所有的 variable 都 export 出去，萬一有個(gè) module 沒事亂改我們的 variable 怎幺辦呢 ？ 所以，在很多時(shí)候，我們都只會(huì)限定幾個(gè)必要的東西 export 出去。在 2.2.1 之前的 kernel （不是很確定） 可以利用 register_symtab 來幫我們。但是，現(xiàn)在更新的版本早就出來了。所以，在此，我會(huì)介紹 kernel 2.2.1 里所提供的。kernel 2.2.1 里提供了一個(gè) macro，叫做 EXPORT_SYMBOL，這是用來幫我們選擇要 export 的 variable 或 function。比方說，我要 export 一個(gè)叫 full 的 variable，那我只要在 module 里寫：
　　EXPORT_SYMBOL（full）;