OpenEuler 内核编程入门与系统调用机制

一、 实验目的

1. 掌握内核开发基础：学会编写、编译并加载 Linux 内核模块（LKM），这是后续进行进程调度与内存管理实验的必备技能。
2. 透视系统调用机制：跳过 C 库函数封装，使用汇编指令直接触发系统调用，理解用户态（Ring 3）与内核态（Ring 0）的边界及交互方式。
3. 理解内核通信接口：通过 /proc 文件系统实现用户态与内核态的数据交换，建立“一切皆文件”的内核交互观。
4. 体验 OpenEuler 特性：初步使用 A-Tune 工具，了解操作系统对性能的自动化感知能力。

二、 实验环境

1. 基础平台：OpenEuler 22.03/24.03 虚拟机。
2. 开发工具：VS Code (Remote-SSH 连接), gcc, make。

• 安装命令 ：

sudo dnf install kernel-devel-$(uname -r) gcc make

3. 开发套件：GCC, Make, Kernel-Devel 包

三、 实验内容与步骤

在编写第一行 .ko 代码之前，请务必阅读本章节。Linux 内核开发环境与普通应用程序开发环境（C/C++）有着天壤之别。如果你带着用户态的编程习惯进入内核，可能会导致系统崩溃。

1. 内核概念知识科普

1.1.什么是内核

如果把操作系统内核（Kernel）比作是一个精密运转的巨大工厂，用户态程序则是工厂外面的顾客。顾客只能通过窗口（系统调用）喊话：“给我打印一行字！”或者“给我读个文件！”。如果出现死循环、内存越界等，内核就会将他Kill，工厂不受影响。

而一旦进入内核内部，规则就会发生改变。内核编程没有stdio.h，printf等C语言标准库，需要用到内核内部专用的函数（如printk），并且内核操作具有一定的风险，一旦不慎，可能会导致系统崩溃

1.2.OpenEuler内核概念科普

openEuler (欧拉) 内核 是 openEuler 操作系统的核心组件。它基于 Linux 内核社区的长期支持（LTS）版本（如 Linux 4.19, 5.10, 6.6 等）进行开发，并针对服务器、云计算、边缘计算和嵌入式等多种场景进行了深度的优化和增强。

1.2.1 宏观架构：宏内核与模块化

openEuler 是典型的 宏内核 (Monolithic Kernel) 操作系统。

• 这意味着什么？ 文件系统、设备驱动、进程调度、网络协议栈等所有核心组件，都编译在一个巨大的二进制文件（vmlinuz）中，运行在同一个内存地址空间。
• 带来的问题：如果每次修改驱动都要重新编译整个内核并重启，效率太低。
• 解决方案 (LKM)：可加载内核模块 (Loadable Kernel Module)。它允许你在系统运行时，像插入 USB 设备一样，动态地将一段代码“插入”到内核中运行，用完后再“拔出”。本实验就是教你如何制造这种“插件”。

1.2.2. 权限等级：Ring 0 vs Ring 3

CPU 硬件层面提供了不同的特权级（Rings），Linux 主要使用两级：

• Ring 3 (用户态)：
  • 内容：Shell, Vim, Python, 你的 C 作业。
  • 限制：受限模式。不能直接访问硬件，访问内存受限。一旦出错（如空指针），内核会捕获并杀死该进程（SegFault），系统不受影响。
• Ring 0 (内核态)：
  • 内容：内核代码、驱动程序、你即将编写的模块。
  • 权限：你可以执行任何 CPU 指令（包括关机、停止 CPU），访问任何内存地址。
  • 风险：内核代码一旦发生非法内存访问，没有“容错率”。结果就是 Kernel Panic (内核恐慌)，也就是俗称的死机/蓝屏，必须断电重启。

1.2.3 极小的栈空间 (Stack Overflow)

在用户态写程序，定义一个 char buf[1024*1024] (1MB) 的局部变量通常没问题，因为用户栈很大（通常 8MB）。
在内核态，这种做法坚决不行！

• 内核栈大小：非常小，通常只有 8KB 或 16KB（视架构而定）。
• 后果：如果你在函数里定义巨大的局部数组，或者递归调用层级太深，会瞬间击穿栈底，覆盖掉重要的内核数据，导致系统立即崩溃。
• 建议：大块内存必须使用 kmalloc 动态分配，不要使用巨大的局部变量。

1.2.4. 并发与重入 (Concurrency)

你的用户态作业通常是单线程的，但在内核里，并发是常态。

• 你的模块函数可能同时被多个 CPU 执行。
• 你的代码正在执行时，可能会被中断（Interrupt）打断。
• 结论：在后续的高级内核开发中，必须时刻注意全局变量的保护（使用自旋锁 Spinlock 或 互斥体 Mutex），防止数据竞争。虽然本实验暂不涉及锁，但要有这个意识。

核心速查表 (Cheat Sheet)

2.编写第一个内核模块

为了避免每次修改内核功能都重新编译整个操作系统，OpenEuler 提供了 LKM (Loadable Kernel Module) 机制。后续实验中，我们观测 PCB、页表等都需要用到它。

2.1.编写内核模块程序hello_module.c

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

// 模块加载时的入口函数
static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "OpenEuler Lab: Hello, Kernel World!\n");
    return 0;
}

// 模块卸载时的出口函数
static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "OpenEuler Lab: Goodbye, Kernel World!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Student Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple introductory module");

2.2.编写makefile程序

obj-m += hello_module.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

2.3.编译运行

make
# 加载模块 (进入内核态)
sudo insmod hello_module.ko
# 查看内核日志 (验证代码是否在 Ring 0 执行)
sudo dmesg | tail  

# 卸载模块
sudo rmmod hello_module  
sudo dmesg | tail 

3.内核模块交互

接下来，我们将使用模块参数来实现简单的交互,将参数传递给内核模块，这在内核驱动开发中非常常用。

3.1.编写模块程序param_test.c

我们要写一个模块，加载时可以接受一个整数（比如 PID）和一个字符串。

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

// 定义变量
static int target_pid = 0;
static char *who_am_i = "Student";

// 注册参数
// module_param(变量名, 类型, 权限位)
module_param(target_pid, int, 0644);
module_param(who_am_i, charp, 0644);
MODULE_PARM_DESC(target_pid, "An integer PID to verify");

static int __init param_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Lab: Module loaded.\n");
    printk(KERN_INFO "Lab: Input PID = %d\n", target_pid);
    printk(KERN_INFO "Lab: Who are you? -> %s\n", who_am_i);
    return 0;
}

static void __exit param_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Lab: Module unloaded.\n");
}

module_init(param_init);
module_exit(param_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3.2.编写Makefile文件

# 核心配置：将 param_test.o 编译为模块
obj-m += param_test.o

# 指向当前运行系统的内核源码构建目录
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
# 获取当前目录路径
PWD := $(shell pwd)

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

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

3.2.编译并运行

make
# 传递参数加载
sudo insmod param_test.ko target_pid=1024 who_am_i="OpenEuler"
# 查看日志
sudo dmesg | tail

可以看到，我们顺利的完成了内核模块的参数传递