内核编程基础理论
理解内核编程的核心概念和设计约束。
内核空间 vs 用户空间
编程环境的根本差异
用户空间编程：
- 有完整的 C 标准库
- 可以使用浮点运算
- 允许阻塞和睡眠
- 有虚拟内存保护
- 错误影响单个进程
内核空间编程：
- 没有标准库（只有内核 API）
- 不能使用浮点运算（会破坏用户进程状态）
- 某些上下文不能睡眠（中断、自旋锁内）
- 直接访问物理内存
- 错误可能导致系统崩溃
为什么这些限制
无标准库：
- 内核必须自给自足
- 减小内核体积
- 提供专用的内核 API
禁止浮点：
- FPU 状态属于用户进程
- 保存/恢复 FPU 状态开销大
- 内核计算通常不需要浮点
睡眠限制：
- 中断处理必须快速返回
- 自旋锁持有期间不能睡眠（死锁风险）
- 原子上下文不能调度
内核编程约束
栈空间限制
用户空间：
- 栈大小：8MB（可配置）
- 栈溢出触发段错误
- 影响单个进程
内核空间：
- 栈大小：通常 8KB 或 16KB
- 所有内核代码共享（每 CPU 一个）
- 栈溢出可能悄无声息地破坏数据
编程建议：
- 避免大型局部变量
- 不要深度递归
- 使用动态分配（kmalloc）处理大数据
同步原语选择
可睡眠上下文：
- 进程上下文
- 可以使用互斥锁（mutex）
- 可以使用信号量（semaphore）
- 允许阻塞操作
原子上下文：
- 中断处理程序
- 自旋锁持有期间
- 只能使用自旋锁
- 禁止睡眠和调度
判断方法：
in_interrupt() // 是否在中断上下文
in_atomic() // 是否在原子上下文
抢占和并发
内核抢占：
- 内核代码执行时可能被抢占
- 需要保护共享数据
- 临界区需要禁用抢占
并发来源：
- 多处理器：不同 CPU 同时执行
- 内核抢占：高优先级任务抢占
- 中断：随时可能发生
- 软中断：延迟处理
保护机制：
- 自旋锁：短期互斥
- 互斥锁：长期互斥（可睡眠）
- 读写锁：读多写少场景
- RCU：读多极端场景
内核模块机制
模块的生命周期
加载阶段：
- 内核分配内存
- 加载模块到内核空间
- 解析符号引用
- 调用模块初始化函数
运行阶段：
- 模块代码常驻内核
- 提供功能（设备驱动、文件系统等）
- 与内核其他部分交互
卸载阶段：
- 检查模块引用计数
- 调用模块清理函数
- 释放内存
- 移除符号导出
模块参数
设计目的：
- 模块行为可配置
- 无需重新编译
- 运行时可调整（某些参数）
参数类型：
- 基本类型：int、long、bool、charp
- 数组：支持多值参数
- 权限：控制 /sys 可见性
符号导出
为什么导出符号：
- 模块间共享功能
- 避免代码重复
- 模块化设计
导出类型：
EXPORT_SYMBOL()：所有模块可用EXPORT_SYMBOL_GPL()：仅 GPL 模块可用
符号版本：
- 内核符号版本控制
- 防止 ABI 不兼容
- 模块加载时检查
设备驱动基础
设备类型
字符设备：
- 顺序访问（如串口、键盘）
- 以字节流方式读写
- 不支持随机访问
块设备：
- 随机访问（如硬盘、U盘）
- 以块为单位读写
- 支持缓存和调度
网络设备：
- 数据包收发
- 不使用文件操作接口
- 专用的网络子系统 API
设备号
主设备号：
- 标识驱动程序
- 内核用于查找驱动
- 传统上是静态分配
次设备号：
- 标识具体设备
- 驱动内部使用
- 区分同一驱动的多个设备
设备号管理：
- 静态分配（固定设备号）
- 动态分配（推荐方式）
- 注册和注销
文件操作接口
核心概念：
- 驱动实现标准文件操作
- 用户空间通过文件接口访问设备
- VFS 层屏蔽具体驱动差异
主要操作：
open：打开设备，初始化release：关闭设备，清理read：从设备读取数据write：向设备写入数据ioctl：设备控制操作mmap：内存映射
中断处理
中断上下文特点
严格限制：
- 不能睡眠
- 不能访问用户空间
- 不能调用可能阻塞的函数
- 尽可能快速返回
为什么：
- 中断可能在任意时刻发生
- 中断处理期间可能禁止其他中断
- 长时间处理影响系统响应性
中断处理策略
顶半部（Top Half）：
- 在中断上下文执行
- 时间敏感的紧急处理
- 确认中断、读取数据
- 调度底半部
底半部（Bottom Half）：
- 延迟处理耗时工作
- 可以睡眠和调度
- 处理数据、唤醒进程
实现机制：
- Softirq：高优先级，静态定义
- Tasklet：基于 softirq，动态注册
- 工作队列：可睡眠上下文
中断共享
概念：
- 多个设备共享一条中断线
- 节省中断资源
- PCI 设备常见
实现要求：
- 设置
IRQF_SHARED标志 - 检查是否是自己的中断
- 返回
IRQ_HANDLED或IRQ_NONE
内存管理
内核内存分配
kmalloc：
- 物理地址连续
- 适合小内存（< 128KB）
- 可能失败（内存不足）
- 有多种分配标志
vmalloc：
- 虚拟地址连续
- 物理地址可不连续
- 适合大内存
- 性能略低（TLB 映射）
分配标志（GFP）：
GFP_KERNEL：可睡眠，进程上下文GFP_ATOMIC：不可睡眠，中断上下文GFP_DMA：DMA 可访问内存GFP_HIGHUSER：高端内存
用户空间访问
为什么需要特殊函数：
- 用户空间地址可能无效
- 页面可能未映射（缺页）
- 安全检查
安全访问函数：
copy_to_user()：内核 → 用户copy_from_user()：用户 → 内核get_user()：读取单个值put_user()：写入单个值
错误处理：
- 返回未复制的字节数
- 0 表示成功
- 非 0 表示部分或完全失败
调试技术
打印调试
printk 日志级别：
KERN_EMERG：系统不可用KERN_ERR：错误条件KERN_WARNING：警告KERN_INFO：信息KERN_DEBUG：调试信息
动态调试：
- pr_debug() 宏
- 运行时开启/关闭
- 减少性能影响
内核调试器
KGDB：
- 远程调试
- 需要串口或网络连接
- 类似 GDB 体验
KASAN：
- 地址消毒器
- 检测内存错误
- 越界访问、使用释放后内存
lockdep：
- 锁依赖检测
- 发现潜在死锁
- 开发阶段启用
性能分析
perf：
- CPU 性能计数器
- 热点函数分析
- 火焰图可视化
ftrace：
- 函数跟踪
- 延迟分析
- 事件追踪
最佳实践
代码风格
内核编码规范：
- Tab 缩进（8 字符）
- 80 列限制
- 函数简短
- 清晰的命名
错误处理：
- 检查所有返回值
- 使用 goto 清理资源
- 返回负的错误码
可移植性
字节序：
- 网络字节序（大端）
- CPU 字节序可能不同
- 使用转换宏
对齐：
- 数据结构对齐
- DMA 缓冲区对齐
- 平台相关差异
安全考虑
输入验证：
- 检查用户空间参数
- 防止缓冲区溢出
- 整数溢出检查
权限检查：
- capable() 函数
- UID/GID 检查
- SELinux/AppArmor 支持
思考题：
- 为什么内核代码不能使用标准 C 库？
- 中断处理为什么必须快速返回？
- 什么情况下应该使用 kmalloc 而非 vmalloc？