Linux设备驱动程序学习----2.内核模块与应用程序的对比

内核模块与应用程序的对比

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1. 内核模块与应用程序的对比

内核模块和应用程序之间的不同之处：

1. 大多数中小规模的应用程序是从头到尾执行单个任务，而模块却只是预先注册自己以便服务于将来的某个请求，然后初始化函数立即结束。即模块初始化函数(hello_init)的任务就是为以后调用模块函数预先做准备。模块的退出函数(hello_exit)将在模块被卸载之前调用。

2. 这和事件驱动编程有点类似，但不是所有的应用程序都是事件驱动的，而每个内核模块都是这样的。事件驱动程序和内核模块之间的另一个区别是，应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他的清除工作，但模块的退出函数必须撤销初始化函数所做的一切，保证没有多余内容残留在系统中。

3. 应用程序可以调用它并未定义的函数，因为链接过程能够解析外部引用，从而链接使用适当的函数库。而模块仅仅被链接到内核，因此模块能调用的函数仅仅是由内核导出的那些函数，而不存在任何可链接的函数库。因为没有任何函数库会和模块链接，因此源文件中不能包含通常应用程序的头文件。内核模块只能使用作为内核一部分的函数。和内核相关的大多数相关头文件保存在include/linux和include/asm目录中。

4. 应用程序和内核编程的处理错误的方式不同，应用程序的段错误可以使用调试器跟踪到源代码中的问题，而内核错误即使不影响系统，也会杀死当前进程。

模块卸载的好处，有助于缩短模块化驱动程序的开发周期。

2. 用户空间和内核空间

  模块运行在内核空间，应用程序运行在用户空间。

  在Unix中，内核运行在最高级别，即超级用户态，这个级别可以进行所有的操作。而应用程序运行在最低级别，即用户态，这个级别处理器控制着对硬件的直接访问及对内存的非授权访问。

  内核空间和用户空间，不仅说明两种模式具有不同的优先级等级，还说明每个模式都有自己的内存映射，即自己的地址空间。

  当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时，Unix将执行模式从用户空间切换到内核空间。执行系统调用的内核代码运行在进程上下文中，代表调用进程执行操作。因此能够访问进程地址空间的所有数据。而处理器硬件中断的内核代码和进程时异步的，和任何一个进程无关。

  模块化代码在内核空间运行，用于扩展内核功能。驱动程序要执行两类任务，模块中的某些函数作为系统调用的一部分执行；其他函数则负责中断处理。

3. 内核中的并发

  内核编程和应用程序编程的区别在于对并发的处理。大部分应用程序，除了多线程应用程序外，通常都是顺序执行的。内核代码的运行环境更加复杂，即使是最简单的内核模块，都需要注意：同一时刻，可能会有很多事情发生。

内核编程必须考虑并发问题的原因：

1. Linux系统中通常正在运行多个并发进程，并且可能有多个进程同时使用驱动程序；
2. 大多数设备能够中断处理器，而中断处理程序异步运行，而且可能在驱动程序正试图处理其他任务时被调用；
3. 有些软件抽象（如：内核定时器）也是异步运行的；
4. Linux可能运行在对称多处理器系统（SMP），因此可能同时不止一个CPU运行驱动程序；
5. Linux2.6内核代码已经是可抢占的，即使在单处理器系统上也存在类似多处理器系统的并发问题。

  Linux内核代码（包括驱动程序）必须是可重入的，必须能够同时运行在多个上下文中。内核数据结构要保证多个线程分开执行，访问共享数据的代码必须避免破坏共享数据。驱动要能够处理并发问题，同时避免竞态。内核代码不能假定在给定代码段中能够独占处理器。

4. 当前进程

  虽然内核模块不像应用程序那样顺序地执行，然而内核执行的大多数操作还是和某个特定进程相关。内核代码可通过访问全局项current来获得当前进程。

  current在<asm/current.h>中定义，是一个指向struct task_struct的指针。current指针指向当前正在运行的进程。可以通过访问struct task_struct的某些成员来打印当前进程的进程ID和命令名：

printk(KERN_INFO "The process is "%s" (pid %i)
", 
        current->comm, current->pid);

  存储在current->comm成员中的命令名是当前进程所执行的程序文件的基本名称，裁剪在15个字符以内。

5. 其他细节

  应用程序在虚拟内存中布局，并具有一块很大的栈空间。栈用来保存函数调用历史及当前活动函数中的自动变量。而内核具有很小的栈，可能只有一个4096字节大小的页空间。驱动的函数必须和整个内核空间调用链一同共享这个栈。因此，不能声明大的自动变量，如果需要大的结构，应该在调用时动态分配该结构。

  在内核API中，具有双下划线（__）的函数名称，通常是接口的底层组件，应谨慎使用。

  内核代码不能实现浮点数运算，内核代码中不需要浮点运算。

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