Linux 内核学习第一课

作者：huangwenbo
环境：Ubuntu 20.04 LTS，内核 5.15.0-139-generic
目标：编写、编译、加载并卸载第一个 Linux 内核模块

1. 本课学习目标

完成本课后，你应该能够：

• 理解用户空间程序与内核模块的区别
• 编写一个最简单的内核模块 hello.c
• 使用 Kbuild 系统编译出 hello.ko
• 用 insmod / rmmod 加载和卸载模块
• 用 dmesg 查看内核日志输出
• 独立排查常见编译与加载错误

2. 核心概念

2.1 用户程序 vs 内核模块

2.2 什么是内核模块

内核模块是可以动态加载到内核中的代码，不需要重新编译整个内核。

典型流程：

hello.c  →  make  →  hello.ko  →  insmod  →  内核执行 hello_init()
                                              →  dmesg 看到输出
                         rmmod  →  内核执行 hello_exit()

2.3 out-of-tree 模块

我们这种在 kernel 源码树外部单独编译的模块，叫做 out-of-tree module（树外模块）。

加载时可能出现如下警告（开发阶段正常，可忽略）：

hello: loading out-of-tree module taints kernel.
hello: module verification failed: signature and/or required key missing - tainting kernel

含义：

• out-of-tree：模块不在官方内核源码树内
• taints kernel：内核被标记为"不干净"，便于后续 bug 排查
• signature missing：模块未签名，Ubuntu 默认要求签名验证

查看内核污点状态：

cat /proc/sys/kernel/tainted

3. 安装环境

3.1 获取当前 Ubuntu 内核版本

uname -r

示例输出：5.15.0-139-generic。后续安装内核头文件、编译模块都要用到这个版本号。

3.2 安装编译工具

sudo apt update
sudo apt install build-essential linux-headers-$(uname -r)

build-essential 是一个开发者工具包，包含 GCC、MAKE 等常用编译工具。
linux-headers-$(uname -r) 是当前内核版本对应的头文件，内核模块编译必须依赖它。

3.3 验证安装是否成功

上一步安装成功后，可以验证：

gcc -v
make -v

也可以查看内核头文件目录是否存在：

ls /lib/modules/$(uname -r)/build

最后一行应能看到内核头文件目录，例如 /usr/src/linux-headers-5.15.0-139-generic。

4. 项目结构

hello/
├── hello.c       # 内核模块源码
└── Makefile      # 编译脚本（注意大写 M）

5. 源码讲解：hello.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

// 模块加载时执行
static int __init hello_init(void)
{
    printk("Hello, World! 内核模块加载成功\n");
    return 0;
}

// 模块卸载时执行
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk("Hello, World! 内核模块卸载成功\n");
}

module_init(hello_init);   // 绑定初始化函数
module_exit(hello_exit);   // 绑定卸载函数

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huangwenbo");
MODULE_DESCRIPTION("第一个内核模块");
MODULE_VERSION("0.1");

5.1 关键语法说明

5.2 关于 printk 日志级别

printk 支持不同日志级别，常用宏：

更简洁的写法：pr_info("...")、pr_err("...") 等。

6. Makefile 讲解

.PHONY: all clean

obj-m += hello.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

6.1 各行含义

6.2 文件名必须是 Makefile

Linux 下文件名区分大小写，这一点很容易踩坑：

普通 make

• makefile 或 Makefile 都行

内核模块编译（Kbuild）

• 必须是 Makefile（大写 M）

错误示例：文件名为 makefile（小写），内核编译时会报：

Makefile: 没有那个文件或目录

修复方法：

mv makefile Makefile

7. 编译与运行

7.1 完整操作流程

# 1. 进入项目目录
cd ~/Desktop/workspace/hello

# 2. 编译模块
make

# 3. 确认产物
ls hello.ko

# 4. 加载模块（注意是 .ko，不是 .ok）
sudo insmod hello.ko

# 5. 查看内核日志
dmesg | tail

# 6. 确认模块已加载
lsmod | grep hello

# 7. 查看模块信息
modinfo hello.ko

# 8. 卸载模块（不带 .ko 后缀）
sudo rmmod hello

# 9. 再次查看日志
dmesg | tail

7.2 成功时的 dmesg 输出示例

[ 6474.545115] hello: loading out-of-tree module taints kernel.
[ 6474.545328] hello: module verification failed: signature and/or required key missing - tainting kernel
[ 6474.546871] Hello, World! 内核模块加载成功
[ 6570.448375] Hello, World! 内核模块卸载成功

前两行是警告，后两行是我们的模块输出，说明加载/卸载成功。

7.3 模块加载 / 卸载 / 日志命令

sudo insmod hello.ko      # 加载 hello 模块
lsmod | grep hello        # 查看已经加载的模块，并过滤出 hello
sudo rmmod hello          # 卸载 hello 模块
dmesg | tail              # 看内核日志最后 10 行
sudo dmesg -c             # 清空内核日志，需要权限

注意：加载时用 hello.ko（带后缀），卸载时用 hello（不带后缀）。

7.4 常用命令速查

8. 常见错误与排查

8.1 Makefile 找不到

现象：

/home/.../hello/Makefile: 没有那个文件或目录

原因： 文件名是 makefile（小写），内核 Kbuild 只认 Makefile。

解决：

mv makefile Makefile

8.2 insmod 报 No such file or directory

现象：

insmod: ERROR: could not load module hello.ko: No such file or directory

常见原因：

1. 文件名打错：hello.ok 应为 hello.ko
2. 未编译或已清理：执行过 make clean，.ko 已被删除
3. 不在正确目录：当前目录没有 hello.ko

解决：

ls hello.ko    # 确认文件存在
make           # 若不存在则重新编译
sudo insmod hello.ko

8.3 make clean 后无法 insmod

原因： make clean 会删除 hello.ko，必须先重新 make。

正确流程：

改代码 → make → insmod → dmesg → rmmod

若执行了 make clean，需要重新 make 再 insmod。

8.4 模块已加载，再次 insmod 失败

现象：

insmod: ERROR: could not insert module hello.ko: File exists

原因： 模块已经在内核中。

解决：

sudo rmmod hello
sudo insmod hello.ko

8.5 dmesg 看不到输出

原因： printk 输出在内核环形缓冲区，不会显示在普通终端。

解决： 使用 dmesg | tail 或 dmesg -w 查看。

9. 本课知识小结

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                  用户空间                        │
│   main.c  →  gcc  →  可执行文件  →  ./a.out      │
│   printf 输出到终端                              │
└─────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                  内核空间                        │
│   hello.c  →  make  →  hello.ko  →  insmod      │
│   printk 输出到 dmesg                            │
└─────────────────────────────────────────────────┘

记住三个关键点：

1. 不能用 printf、malloc 等用户空间函数
2. Makefile 必须大写 M
3. 加载用 .ko，卸载不带后缀

10. 下一课预告

建议学习顺序：

1. 模块参数（module_param）—— 加载时传入变量
2. 字符设备驱动 —— 实现 /dev/mydev，用户程序通过 read/write 与内核通信
3. proc / sysfs —— 通过 /proc 或 /sys 与内核交互

11. 参考资源

• The Linux Kernel Module Programming Guide (LKMPG) — 经典内核模块入门教程
• 内核源码文档：/usr/src/linux-headers-$(uname -r)/Documentation/

12. 练习

1. 修改 hello_init 中的打印内容，重新编译并加载，确认 dmesg 输出已更新
2. 执行 modinfo hello.ko，找到 author、description、version 字段
3. 故意把 insmod hello.ok 打错，观察报错，再改回正确命令
4. 执行 make clean 后直接 insmod，观察报错，再 make 后重新加载
5. 查资料了解 __init 和 __exit 宏的作用

第一课完成。恭喜迈出 Linux 内核开发的第一步！