Week 19: Linux 内核基础

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|       硬件                  |  CPU, 内存, 设备
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linux/
├── arch/       # 架构相关代码
├── block/      # 块设备
├── drivers/    # 设备驱动
├── fs/         # 文件系统
├── include/    # 头文件
├── init/       # 初始化
├── ipc/        # 进程间通信
├── kernel/     # 核心代码 (调度等)
├── lib/        # 库函数
├── mm/         # 内存管理
├── net/        # 网络
└── scripts/    # 构建脚本

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

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Module");

static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

obj-m := hello.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

# 编译
make

# 加载模块
sudo insmod hello.ko

# 查看日志
dmesg | tail

# 列出模块
lsmod | grep hello

# 卸载模块
sudo rmmod hello

static int count = 1;
static char *name = "default";

module_param(count, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(count, "Number of iterations");

module_param(name, charp, 0644);
MODULE_PARM_DESC(name, "User name");

sudo insmod hello.ko count=5 name="Alice"

#include <linux/list.h>

struct my_data {
    int value;
    struct list_head list;
};

LIST_HEAD(my_list);

// 添加
struct my_data *item = kmalloc(sizeof(*item), GFP_KERNEL);
item->value = 42;
list_add(&item->list, &my_list);

// 遍历
struct my_data *entry;
list_for_each_entry(entry, &my_list, list) {
    printk(KERN_INFO "Value: %d\n", entry->value);
}

// 安全删除遍历
struct my_data *tmp;
list_for_each_entry_safe(entry, tmp, &my_list, list) {
    list_del(&entry->list);
    kfree(entry);
}

#include <linux/hashtable.h>

DEFINE_HASHTABLE(my_hash, 8);  // 2^8 = 256 桶

struct my_data {
    int key;
    int value;
    struct hlist_node node;
};

// 添加
hash_add(my_hash, &item->node, item->key);

// 查找
struct my_data *entry;
hash_for_each_possible(my_hash, entry, node, key) {
    if (entry->key == key) {
        // 找到
    }
}

#include <linux/rbtree.h>

struct my_data {
    int key;
    struct rb_node node;
};

struct rb_root my_tree = RB_ROOT;

// 插入和查找需要自己实现比较逻辑

#include <linux/slab.h>

// 分配 (类似 malloc)
void *ptr = kmalloc(size, GFP_KERNEL);

// 清零分配
void *ptr = kzalloc(size, GFP_KERNEL);

// 释放
kfree(ptr);

#include <linux/vmalloc.h>

// 分配大块虚拟连续内存
void *ptr = vmalloc(size);
vfree(ptr);

struct kmem_cache *cache;

// 创建 cache
cache = kmem_cache_create("my_cache", sizeof(struct my_data),
                          0, SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL);

// 分配对象
struct my_data *obj = kmem_cache_alloc(cache, GFP_KERNEL);

// 释放对象
kmem_cache_free(cache, obj);

// 销毁 cache
kmem_cache_destroy(cache);

#include <linux/spinlock.h>

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);

spin_lock(&lock);
// 临界区
spin_unlock(&lock);

// 禁用中断版本
spin_lock_irqsave(&lock, flags);
// 临界区
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

#include <linux/mutex.h>

struct mutex lock;
mutex_init(&lock);

mutex_lock(&lock);
// 临界区 (可睡眠)
mutex_unlock(&lock);

#include <linux/rwlock.h>

rwlock_t lock;
rwlock_init(&lock);

read_lock(&lock);
// 读操作
read_unlock(&lock);

write_lock(&lock);
// 写操作
write_unlock(&lock);

#include <linux/rcupdate.h>

// 读端
rcu_read_lock();
// 访问数据
rcu_read_unlock();

// 写端
// 1. 复制并修改
// 2. 替换指针
rcu_assign_pointer(ptr, new_data);
// 3. 等待读者完成
synchronize_rcu();
// 4. 释放旧数据

用户空间                      内核空间
+---------+                  +------------------+
|  BCC    |  编译/加载        |  eBPF 程序       |
|  libbpf | -------->        |  (验证器检查)    |
+---------+                  +------------------+
                                    |
              挂载点: kprobe, tracepoint, XDP, cgroup...

# pip install bcc
from bcc import BPF

prog = """
int kprobe__do_sys_open(struct pt_regs *ctx, const char __user *filename, int flags) {
    bpf_trace_printk("open: %s\\n", filename);
    return 0;
}
"""

b = BPF(text=prog)
b.trace_print()

// trace.bpf.c (eBPF 程序)
#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_openat")
int trace_openat(struct trace_event_raw_sys_enter *ctx) {
    bpf_printk("openat called\n");
    return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

// 用户空间加载器
#include <bpf/libbpf.h>

struct bpf_object *obj = bpf_object__open_file("trace.bpf.o", NULL);
bpf_object__load(obj);
struct bpf_link *link = bpf_program__attach(bpf_object__find_program_by_name(obj, "trace_openat"));
// ...
bpf_link__destroy(link);
bpf_object__close(obj);

SEC("xdp")
int xdp_drop_all(struct xdp_md *ctx) {
    return XDP_DROP;  // 丢弃所有包
}

// 返回值: XDP_PASS, XDP_DROP, XDP_TX, XDP_REDIRECT