内核与模块

一、核心概念：什么是内核模块？

• ** monolithic Kernel（宏内核）**：Linux 内核是宏内核，意味着核心功能都在一个大的内核空间中运行，效率高。

• 内核模块 (Kernel Module) 的意义：为了解决宏内核“庞大、难以扩展、需要频繁重新编译”的问题而诞生。

  • 允许在内核运行时动态地向内核添加或移除功能。

  • 本质是目标文件（.ko 文件），一旦加载，其代码就成为内核的一部分，享有内核的高权限。

• 模块 vs 内置功能：某些功能可以直接编译进内核（built-in），而不是作为模块。内置的功能无法卸载。

• 模块的典型用途：

  • 设备驱动程序（最常见，如显卡、网卡、USB驱动）。

  • 文件系统支持（如 ext4, nfs, vfat）。

  • 系统调用。

  • 网络功能。

二、管理内核模块：核心命令

• lsmod：列出当前已加载的所有模块。输出三列：Module（模块名）、Size（大小）、Used by（被谁使用，显示依赖关系）。

  $ lsmod

• insmod：最基础的模块插入命令。需要指定模块文件的完整路径，且不自动解决依赖。

  $ sudo insmod /path/to/module.ko

• rmmod：卸载模块。要求模块当前是空闲的（没有被使用，且没有依赖它的模块）。

  $ sudo rmmod module_name

• modprobe：智能版 insmod/rmmod。首选工具。

  • 只需指定模块名，会自动在标准模块路径（/lib/modules/$(uname -r)/）下查找 .ko 文件。

  • 自动处理依赖关系：加载时自动加载其依赖的模块；卸载时自动卸载依赖它的模块。

  • 用法：

    $ sudo modprobe module_name  # 加载模块（及其依赖）
    $ sudo modprobe -r module_name # 卸载模块（及依赖它的模块）

• depmod：生成模块依赖关系文件。通常在安装新模块后运行，以便 modprobe 能正确工作。-a 选项为所有模块生成依赖。

  $ sudo depmod -a

• modinfo：显示模块的详细信息。非常有用，可以查看模块的描述、参数、作者、许可证等。

  $ modinfo module_name

三、模块的配置与黑名单

• 模块参数：有些模块可以在加载时传递参数来配置其行为。

  • 查看参数：modinfo module_name

  • 加载时传递参数：

    $ sudo insmod module.ko parameter=value
    # 或者使用 modprobe（更推荐）
    $ sudo modprobe module_name parameter=value

  • 参数文件：在 /sys/module/<module_name>/parameters/ 目录下，有时可以动态查看或修改某些参数。

• 模块黑名单：/etc/modprobe.d/ 目录

  • 目的：防止系统在启动时自动加载某个模块，或覆盖模块的默认参数。

  • 方法：在此目录下创建任何以 .conf 结尾的文件（如 blacklist.conf）。

  • 示例：屏蔽不需要的声卡驱动

    # /etc/modprobe.d/blacklist.conf
    blacklist snd_hda_intel # 阻止模块被自动加载
    alias snd_hda_intel off # 另一种方法

  • 示例：为模块设置默认参数

    # /etc/modprobe.d/iwlwifi.conf
    options iwlwifi power_save=0 # 为英特尔无线网卡禁用省电模式

• 系统启动时加载模块：/etc/modules-load.d/ 目录

  • 目的：让系统在启动早期就加载某些模块。

  • 方法：在此目录下创建 .conf 文件，里面直接写入需要加载的模块名（每行一个）。

    # /etc/modules-load.d/my-modules.conf
    vboxguest
    vboxsf
    vboxvideo

四、实战：从代码到模块（可选，但非常有价值）

• 演示一个最简单的 Hello World 内核模块的编写、编译和测试过程。

• 编写代码 hello.c：

  #include <linux/init.h>
  #include <linux/module.h>
  
  MODULE_LICENSE("GPL");
  MODULE_AUTHOR("Your Name");
  
  static int __init hello_init(void) {
      printk(KERN_INFO "Hello, Kernel World!\n");
      return 0;
  }
  
  static void __exit hello_exit(void) {
      printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel World.\n");
  }
  
  module_init(hello_init);
  module_exit(hello_exit);

• 编写 Makefile：

  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

• 编译与测试：

  $ make            # 生成 hello.ko
  $ sudo insmod hello.ko   # 加载
  $ dmesg | tail -n 2      # 查看内核日志，确认打印了Hello消息
  $ sudo rmmod hello       # 卸载
  $ dmesg | tail -n 2      # 查看Goodbye消息

五、故障排查与常用技巧

• 内核日志 (dmesg)：模块的 printk 输出不会到终端，必须使用 dmesg 命令查看。这是调试模块的最重要工具。

• 模块导致系统不稳定怎么办？

  • 如果刚加载的模块导致系统卡死，重启后进入恢复模式或单用户模式。

  • 在 /etc/modprobe.d/blacklist.conf 中将该模块加入黑名单。

• 查看模块依赖关系文件：/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep。

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如何与你已有的笔记关联

• 当在 02-File_System.md 中讲到 ext4、vfat 等文件系统时，可以提到它们是以内核模块的形式实现的。

• 当在 05-Network_Configuration.md 中配置网卡时，可以链接回本章，讲解如何查看和加载对应的网卡驱动模块（如 e1000, igb, iwlwifi）。

• 当在 11-System_Optimization_Security.md 中讨论系统安全和稳定性时，可以提到禁用不必要的内核模块也是一种安全加固措施。