Linux内核模块编写详解

内核编程常常看起来像是黑魔法，而在亚瑟 c 克拉克的眼中，它八成就是了。linux内核和它的用户空间是大不相同的：抛开漫不经心，你必须小心翼翼，因为你编程中的一个bug就会影响到整个系统。浮点运算做起来可不容易，堆栈固定而狭小，而你写的代码总是异步的，因此你需要想想并发会导致什么。而除了所有这一切之外，linux内核只是一个很大的、很复杂的c程序，它对每个人开放，任何人都去读它、学习它并改进它，而你也可以是其中之一。

学习内核编程的最简单的方式也许就是写个内核模块：一段可以动态加载进内核的代码。模块所能做的事是有限的——例如，他们不能在类似进程描述符这样的公共数据结构中增减字段（lctt译注：可能会破坏整个内核及系统的功能）。但是，在其它方面，他们是成熟的内核级的代码，可以在需要时随时编译进内核（这样就可以摒弃所有的限制了）。完全可以在linux源代码树以外来开发并编译一个模块（这并不奇怪，它称为树外开发），如果你只是想稍微玩玩，而并不想提交修改以包含到主线内核中去，这样的方式是很方便的。

在本教程中，我们将开发一个简单的内核模块用以创建一个/dev/reverse设备。写入该设备的字符串将以相反字序的方式读回（“hello world”读成“world hello”）。这是一个很受欢迎的程序员面试难题，当你利用自己的能力在内核级别实现这个功能时，可以使你得到一些加分。在开始前，有一句忠告：你的模块中的一个bug就会导致系统崩溃（虽然可能性不大，但还是有可能的）和数据丢失。在开始前，请确保你已经将重要数据备份，或者，采用一种更好的方式，在虚拟机中进行试验。

尽可能不要用root身份

默认情况下，/dev/reverse只有root可以使用，因此你只能使用sudo来运行你的测试程序。要解决该限制，可以创建一个包含以下内容的/lib/udev/rules.d/99-reverse.rules文件：

subsystem=="misc", kernel=="reverse", mode="0666"
别忘了重新插入模块。让非root用户访问设备节点往往不是一个好主意，但是在开发其间却是十分有用的。这并不是说以root身份运行二进制测试文件也不是个好主意。
模块的构造

由于大多数的linux内核模块是用c写的（除了底层的特定于体系结构的部分），所以推荐你将你的模块以单一文件形式保存（例如，reverse.c）。我们已经把完整的源代码放在github上——这里我们将看其中的一些片段。开始时，我们先要包含一些常见的文件头，并用预定义的宏来描述模块：

这里一切都直接明了，除了module_license()：它不仅仅是一个标记。内核坚定地支持gpl兼容代码，因此如果你把许可证设置为其它非gpl兼容的（如，“proprietary”[专利]），某些特定的内核功能将在你的模块中不可用。

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1. #include <linux/init.h>   
2. #include <linux/kernel.h>   
3. #include <linux/module.h>   
4. module_license("gpl");   
5. module_author("valentine sinitsyn <[e-mail]>");   
6. module_description("in-kernel phrase reverser");   

什么时候不该写内核模块

内核编程很有趣，但是在现实项目中写（尤其是调试）内核代码要求特定的技巧。通常来讲，在没有其它方式可以解决你的问题时，你才应该在内核级别解决它。以下情形中，可能你在用户空间中解决它更好：

你要开发一个usb驱动 —— 请查看libusb。
你要开发一个文件系统 —— 试试fuse。
你在扩展netfilter —— 那么libnetfilter_queue对你有所帮助。
通常，内核里面代码的性能会更好，但是对于许多项目而言，这点性能丢失并不严重。
由于内核编程总是异步的，没有一个main()函数来让linux顺序执行你的模块。取而代之的是，你要为各种事件提供回调函数，像这个：

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1. static int __init reverse_init(void)   
2. {   
3.     printk(kern_info "reverse device has been registered\n");   
4.     return 0;   
5. }   
6. static void __exit reverse_exit(void)   
7. {   
8.     printk(kern_info "reverse device has been unregistered\n");   
9. }   
10. module_init(reverse_init);   
11. module_exit(reverse_exit);  

这里，我们定义的函数被称为模块的插入和删除。只有第一个的插入函数是必要的。目前，它们只是打印消息到内核环缓冲区（可以在用户空间通过dmesg命令访问）；kern_info是日志级别（注意，没有逗号）。__init和__exit是属性 —— 联结到函数（或者变量）的元数据片。属性在用户空间的c代码中是很罕见的，但是内核中却很普遍。所有标记为__init的，会在初始化后释放内存以供重用（还记得那条过去内核的那条“freeing unused kernel memory…[释放未使用的内核内存……]”信息吗？）。__exit表明，当代码被静态构建进内核时，该函数可以安全地优化了，不需要清理收尾。最后，module_init()和module_exit()这两个宏将reverse_init()和reverse_exit()函数设置成为我们模块的生命周期回调函数。实际的函数名称并不重要，你可以称它们为init()和exit()，或者start()和stop()，你想叫什么就叫什么吧。他们都是静态声明，你在外部模块是看不到的。事实上，内核中的任何函数都是不可见的，除非明确地被导出。然而，在内核程序员中，给你的函数加上模块名前缀是约定俗成的。

这些都是些基本概念 – 让我们来做更多有趣的事情吧。模块可以接收参数，就像这样：

# modprobe foo bar=1

modinfo命令显示了模块接受的所有参数，而这些也可以在/sys/module//parameters下作为文件使用。我们的模块需要一个缓冲区来存储参数 —— 让我们把这大小设置为用户可配置。在module_description()下添加如下三行：

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1. static unsigned long buffer_size = 8192;   
2. module_param(buffer_size, ulong, (s_irusr | s_irgrp | s_iroth));   
3. module_parm_desc(buffer_size, "internal buffer size");  

这儿，我们定义了一个变量来存储该值，封装成一个参数，并通过sysfs来让所有人可读。这个参数的描述（最后一行）出现在modinfo的输出中。

由于用户可以直接设置buffer_size，我们需要在reverse_init()来清除无效取值。你总该检查来自内核之外的数据 —— 如果你不这么做，你就是将自己置身于内核异常或安全漏洞之中。

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1. static int __init reverse_init()   
2. {   
3.     if (!buffer_size)   
4.         return -1;   
5.     printk(kern_info   
6.         "reverse device has been registered, buffer size is %lu bytes\n",   
7.         buffer_size);   
8.     return 0;   
9. }  

来自模块初始化函数的非0返回值意味着模块执行失败。

导航

但你开发模块时，linux内核就是你所需一切的源头。然而，它相当大，你可能在查找你所要的内容时会有困难。幸运的是，在庞大的代码库面前，有许多工具使这个过程变得简单。首先，是cscope —— 在终端中运行的一个比较经典的工具。你所要做的，就是在内核源代码的*目录中运行make cscope && cscope。cscope和vim以及emacs整合得很好，因此你可以在你最喜爱的编辑器中使用它。

如果基于终端的工具不是你的最爱，那么就访问吧。它是一个基于web的内核导航工具，即使它的功能没有cscope来得多（例如，你不能方便地找到函数的用法），但它仍然提供了足够多的快速查询功能。
现在是时候来编译模块了。你需要你正在运行的内核版本头文件（linux-headers，或者等同的软件包）和build-essential（或者类似的包）。接下来，该创建一个标准的makefile模板：

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1. obj-m += reverse.o   
2. all:   
3.     make -c /lib/modules/$(shell uname -r)/build m=$(pwd) modules   
4. clean:   
5.     make -c /lib/modules/$(shell uname -r)/build m=$(pwd) clean  

现在，调用make来构建你的第一个模块。如果你输入的都正确，在当前目录内会找到reverse.ko文件。使用sudo insmod reverse.ko插入内核模块，然后运行如下命令：

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1. $ dmesg | tail -1   
2. [ 5905.042081] reverse device has been registered, buffer size is 8192 bytes  

恭喜了！然而，目前这一行还只是假象而已 —— 还没有设备节点呢。让我们来搞定它。

混杂设备

在linux中，有一种特殊的字符设备类型，叫做“混杂设备”（或者简称为“misc”）。它是专为单一接入点的小型设备驱动而设计的，而这正是我们所需要的。所有混杂设备共享同一个主设备号（10），因此一个驱动(drivers/char/misc.c）就可以查看它们所有设备了，而这些设备用次设备号来区分。从其他意义来说，它们只是普通字符设备。

要为该设备注册一个次设备号（以及一个接入点），你需要声明struct misc_device，填上所有字段（注意语法），然后使用指向该结构的指针作为参数来调用misc_register()。为此，你也需要包含linux/miscdevice.h头文件：

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1. static struct miscdevice reverse_misc_device = {   
2.     .minor = misc_dynamic_minor,   
3.     .name = "reverse",   
4.     .fops = &reverse_fops   
5. };   
6. static int __init reverse_init()   
7. {   
8.     ...   
9.     misc_register(&reverse_misc_device);   
10.     printk(kern_info ...   
11. }   
12.   

这儿，我们为名为“reverse”的设备请求一个第一个可用的（动态的）次设备号；省略号表明我们之前已经见过的省略的代码。别忘了在模块卸下后注销掉该设备。

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1. static void __exit reverse_exit(void)   
2. {   
3.     misc_deregister(&reverse_misc_device);   
4.     ...   
5. }   
6.   

‘fops’字段存储了一个指针，指向一个file_operations结构（在linux/fs.h中声明），而这正是我们模块的接入点。reverse_fops定义如下：

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1. static struct file_operations reverse_fops = {   
2.     .owner = this_module,   
3.     .open = reverse_open,   
4.     ...   
5.     .llseek = noop_llseek   
6. };  

另外，reverse_fops包含了一系列回调函数（也称之为方法），当用户空间代码打开一个设备，读写或者关闭文件描述符时，就会执行。如果你要忽略这些回调，可以指定一个明确的回调函数来替代。这就是为什么我们将llseek设置为noop_llseek()，（顾名思义）它什么都不干。这个默认实现改变了一个文件指针，而且我们现在并不需要我们的设备可以寻址（这是今天留给你们的家庭作业）。

关闭和打开

让我们来实现该方法。我们将给每个打开的文件描述符分配一个新的缓冲区，并在它关闭时释放。这实际上并不安全：如果一个用户空间应用程序泄漏了描述符（也许是故意的），它就会霸占ram，并导致系统不可用。在现实世界中，你总得考虑到这些可能性。但在本教程中，这种方法不要紧。

我们需要一个结构函数来描述缓冲区。内核提供了许多常规的数据结构：链接列表（双联的），哈希表，树等等之类。不过，缓冲区常常从头设计。我们将调用我们的“struct buffer”：

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1. struct buffer {   
2.     char *data, *end, *read_ptr;   
3.     unsigned long size;   
4. };  

data是该缓冲区存储的一个指向字符串的指针，而end指向字符串结尾后的第一个字节。read_ptr是read()开始读取数据的地方。缓冲区的size是为了保证完整性而存储的 —— 目前，我们还没有使用该区域。你不能假设使用你结构体的用户会正确地初始化所有这些东西，所以最好在函数中封装缓冲区的分配和收回。它们通常命名为buffer_alloc()和buffer_free()。

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1. static struct buffer buffer_alloc(unsigned long size)    
2. { struct buffer *buf; buf = kzalloc(sizeof(buf), gfp_kernel);   
3.  if    
4. (unlikely(!buf)) goto out; … out: return buf;    
5. }  

内核内存使用kmalloc()来分配，并使用kfree()来释放；kzalloc()的风格是将内存设置为全零。不同于标准的malloc()，它的内核对应部分收到的标志指定了第二个参数中请求的内存类型。这里，gfp_kernel是说我们需要一个普通的内核内存（不是在dma或高内存区中）以及如果需要的话函数可以睡眠（重新调度进程）。sizeof(*buf)是一种常见的方式，它用来获取可通过指针访问的结构体的大小。

你应该随时检查kmalloc()的返回值：访问null指针将导致内核异常。同时也需要注意unlikely()宏的使用。它（及其相对宏likely()）被广泛用于内核中，用于表明条件几乎总是真的（或假的）。它不会影响到控制流程，但是能帮助现代处理器通过分支预测技术来提升性能。

最后，注意goto语句。它们常常为认为是邪恶的，但是，linux内核（以及一些其它系统软件）采用它们来实施集中式的函数退出。这样的结果是减少嵌套深度，使代码更具可读性，而且非常像更高级语言中的try-catch区块。

有了buffer_alloc()和buffer_free()，open和close方法就变得很简单了。

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1. static int reverse_open(struct inode *inode, struct file *file)   
2. {   
3.     int err = 0;   
4.     file->private_data = buffer_alloc(buffer_size);   
5.     ...   
6.     return err;   
7. }   
8.   

struct file是一个标准的内核数据结构，用以存储打开的文件的信息，如当前文件位置（file->f_pos)、标志(file->f_flags），或者打开模式（file->f_mode)等。另外一个字段file->privatedata用于关联文件到一些专有数据，它的类型是void *，而且它在文件拥有者以外，对内核不透明。我们将一个缓冲区存储在那里。

如果缓冲区分配失败，我们通过返回否定值（-enomem）来为调用的用户空间代码标明。一个c库中调用的open(2)系统调用(如glibc)将会检测这个并适当地设置errno 。

学习如何读和写

“read”和“write”方法是真正完成工作的地方。当数据写入到缓冲区时，我们放弃之前的内容和反向地存储该字段，不需要任何临时存储。read方法仅仅是从内核缓冲区复制数据到用户空间。但是如果缓冲区还没有数据，revers_eread()会做什么呢？在用户空间中，read()调用会在有可用数据前阻塞它。在内核中，你就必须等待。幸运的是，有一项机制用于处理这种情况，就是‘wait queues’。

想法很简单。如果当前进程需要等待某个事件，它的描述符（struct task_struct存储‘current’信息）被放进非可运行（睡眠中）状态，并添加到一个队列中。然后schedule()就被调用来选择另一个进程运行。生成事件的代码通过使用队列将等待进程放回task_running状态来唤醒它们。调度程序将在以后在某个地方选择它们之一。linux有多种非可运行状态，最值得注意的是task_interruptible（一个可以通过信号中断的睡眠）和task_killable（一个可被杀死的睡眠中的进程）。所有这些都应该正确处理，并等待队列为你做这些事。

一个用以存储读取等待队列头的天然场所就是结构缓冲区，所以从为它添加wait_queue_headt read\queue字段开始。你也应该包含linux/sched.h头文件。可以使用declare_waitqueue()宏来静态声明一个等待队列。在我们的情况下，需要动态初始化，因此添加下面这行到buffer_alloc()：

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1. init_waitqueue_head(&buf->read_queue);  

我们等待可用数据；或者等待read_ptr != end条件成立。我们也想要让等待操作可以被中断（如，通过ctrl+c）。因此，“read”方法应该像这样开始：

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1. static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out,   
2.         size_t size, loff_t * off)   
3. {   
4.     struct buffer *buf = file->private_data;   
5.     ssize_t result;   
6.     while (buf->read_ptr == buf->end) {   
7.         if (file->f_flags & o_nonblock) {   
8.             result = -eagain;   
9.             goto out;   
10.         }   
11.         if (wait_event_interruptible   
12.         (buf->read_queue, buf->read_ptr != buf->end)) {   
13.             result = -erestartsys;   
14.             goto out;   
15.         }   
16.     }   

...

我们让它循环，直到有可用数据，如果没有则使用wait_event_interruptible()（它是一个宏，不是函数，这就是为什么要通过值的方式给队列传递）来等待。好吧，如果wait_event_interruptible()被中断，它返回一个非0值，这个值代表-erestartsys。这段代码意味着系统调用应该重新启动。file->f_flags检查以非阻塞模式打开的文件数：如果没有数据，返回-eagain。

我们不能使用if()来替代while()，因为可能有许多进程正等待数据。当write方法唤醒它们时，调度程序以不可预知的方式选择一个来运行，因此，在这段代码有机会执行的时候，缓冲区可能再次空出。现在，我们需要将数据从buf->data 复制到用户空间。copy_to_user()内核函数就干了此事：

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1. size = min(size, (size_t) (buf->end - buf->read_ptr));   
2.    if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {   
3.        result = -efault;   
4.        goto out;   
5.    }  

如果用户空间指针错误，那么调用可能会失败；如果发生了此事，我们就返回-efault。记住，不要相信任何来自内核外的事物！

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1.    buf->read_ptr += size;   
2.     result = size;   
3. out:   
4.     return result;   
5. }  

为了使数据在任意块可读，需要进行简单运算。该方法返回读入的字节数，或者一个错误代码。

写方法更简短。首先，我们检查缓冲区是否有足够的空间，然后我们使用copy_from_userspace()函数来获取数据。再然后read_ptr和结束指针会被重置，并且反转存储缓冲区内容：

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1. buf->end = buf->data + size;   
2.    buf->read_ptr = buf->data;   
3.    if (buf->end > buf->data)   
4.        reverse_phrase(buf->data, buf->end - 1);  

这里， reverse_phrase()干了所有吃力的工作。它依赖于reverse_word()函数，该函数相当简短并且标记为内联。这是另外一个常见的优化；但是，你不能过度使用。因为过多的内联会导致内核映像徒然增大。

最后，我们需要唤醒read_queue中等待数据的进程，就跟先前讲过的那样。wake_up_interruptible()就是用来干此事的：

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1. wake_up_interruptible(&buf->read_queue);  

耶！你现在已经有了一个内核模块，它至少已经编译成功了。现在，是时候来测试了。

调试内核代码

或许，内核中最常见的调试方法就是打印。如果你愿意，你可以使用普通的printk() （假定使用kern_debug日志等级）。然而，那儿还有更好的办法。如果你正在写一个设备驱动，这个设备驱动有它自己的“struct device”，可以使用pr_debug()或者dev_dbg()：它们支持动态调试（dyndbg）特性，并可以根据需要启用或者禁用（请查阅documentation/dynamic-debug-howto.txt）。对于单纯的开发消息，使用pr_devel()，除非设置了debug，否则什么都不会做。要为我们的模块启用debug，请添加以下行到makefile中：

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1. cflags_reverse.o := -ddebug  

完了之后，使用dmesg来查看pr_debug()或pr_devel()生成的调试信息。 或者，你可以直接发送调试信息到控制台。要想这么干，你可以设置console_loglevel内核变量为8或者更大的值（echo 8 /proc/sys/kernel/printk），或者在高日志等级，如kern_err，来临时打印要查询的调试信息。很自然，在发布代码前，你应该移除这样的调试声明。

注意内核消息出现在控制台，不要在xterm这样的终端模拟器窗口中去查看；这也是在内核开发时，建议你不在x环境下进行的原因。
惊喜，惊喜！

编译模块，然后加载进内核：

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1. $ make  
2. $ sudo insmod reverse.ko buffer_size=2048   
3. $ lsmod   
4. reverse 2419 0   
5. $ ls -l /dev/reverse   
6. crw-rw-rw- 1 root root 10, 58 feb 22 15:53 /dev/reverse  

一切似乎就位。现在，要测试模块是否正常工作，我们将写一段小程序来翻转它的第一个命令行参数。main()（再三检查错误）可能看上去像这样：

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1. int fd = open("/dev/reverse", o_rdwr);   
2. write(fd, argv[1], strlen(argv[1]));   
3. read(fd, argv[1], strlen(argv[1]));   
4. printf("read: %s\n", argv[1]);  

像这样运行：

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1. $ ./test 'a quick brown fox jumped over the lazy dog'  
2. read: dog lazy the over jumped fox brown quick a  
   它工作正常！玩得更逗一点：试试传递单个单词或者单个字母的短语，空的字符串或者是非英语字符串（如果你有这样的键盘布局设置），以及其它任何东西。

现在，让我们让事情变得更好玩一点。我们将创建两个进程，它们共享一个文件描述符（及其内核缓冲区）。其中一个会持续写入字符串到设备，而另一个将读取这些字符串。在下例中，我们使用了fork(2)系统调用，而pthreads也很好用。我也省略打开和关闭设备的代码，并在此检查代码错误（又来了）：

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1. char *phrase = "a quick brown fox jumped over the lazy dog";   
2. if (fork())   
3.        
4. /* parent is the writer */   
5.     while (1)   
6.         write(fd, phrase, len);   
7. else  
8.        
9. /* child is the reader */   
10.     while (1) {   
11.         read(fd, buf, len);   
12.         printf("read: %s\n", buf);   
13. }   
14.   

你希望这个程序会输出什么呢？下面就是在我的笔记本上得到的东西：

read: dog lazy the over jumped fox brown quick a
read: a kcicq brown fox jumped over the lazy dog
read: a kciuq nworb xor jumped fox brown quick a
read: a kciuq nworb xor jumped fox brown quick a
...
这里发生了什么呢？就像举行了一场比赛。我们认为read和write是原子操作，或者从头到尾一次执行一个指令。然而，内核确实无序并发的，随便就重新调度了reverse_phrase()函数内部某个地方运行着的写入操作的内核部分。如果在写入操作结束前就调度了read()操作呢？就会产生数据不完整的状态。这样的bug非常难以找到。但是，怎样来处理这个问题呢？

基本上，我们需要确保在写方法返回前没有read方法能被执行。如果你曾经编写过一个多线程的应用程序，你可能见过同步原语（锁），如互斥锁或者信号。linux也有这些，但有些细微的差别。内核代码可以运行进程上下文（用户空间代码的“代表”工作，就像我们使用的方法）和终端上下文（例如，一个irq处理线程）。如果你已经在进程上下文中和并且你已经得到了所需的锁，你只需要简单地睡眠和重试直到成功为止。在中断上下文时你不能处于休眠状态，因此代码会在一个循环中运行直到锁可用。关联原语被称为自旋锁，但在我们的环境中，一个简单的互斥锁 —— 在特定时间内只有唯一一个进程能“占有”的对象 —— 就足够了。处于性能方面的考虑，现实的代码可能也会使用读-写信号。

锁总是保护某些数据（在我们的环境中，是一个“struct buffer”实例），而且也常常会把它们嵌入到它们所保护的结构体中。因此，我们添加一个互斥锁（‘struct mutex lock’）到“struct buffer”中。我们也必须用mutex_init()来初始化互斥锁；buffer_alloc是用来处理这件事的好地方。使用互斥锁的代码也必须包含linux/mutex.h。

互斥锁很像交通信号灯 —— 要是司机不看它和不听它的，它就没什么用。因此，在对缓冲区做操作并在操作完成时释放它之前，我们需要更新reverse_read()和reverse_write()来获取互斥锁。让我们来看看read方法 —— write的工作原理相同：

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1. static ssize_t reverse_read(struct file *file, char __user * out,   
2.         size_t size, loff_t * off)   
3. {   
4.     struct buffer *buf = file->private_data;   
5.     ssize_t result;   
6.     if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {   
7.         result = -erestartsys;   
8.         goto out;   
9. }   
10.   

我们在函数一开始就获取锁。mutex_lock_interruptible()要么得到互斥锁然后返回，要么让进程睡眠，直到有可用的互斥锁。就像前面一样，_interruptible后缀意味着睡眠可以由信号来中断。

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1. while (buf->read_ptr == buf->end) {   
2.         mutex_unlock(&buf->lock);   
3. /* ... wait_event_interruptible() here ... */   
4.         if (mutex_lock_interruptible(&buf->lock)) {   
5.             result = -erestartsys;   
6.             goto out;   
7.         }   
8.     }  

下面是我们的“等待数据”循环。当获取互斥锁时，或者发生称之为“死锁”的情境时，不应该让进程睡眠。因此，如果没有数据，我们释放互斥锁并调用wait_event_interruptible()。当它返回时，我们重新获取互斥锁并像往常一样继续：

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1. if (copy_to_user(out, buf->read_ptr, size)) {   
2.         result = -efault;   
3.         goto out_unlock;   
4.     }   
5.     ...   
6. out_unlock:   
7.     mutex_unlock(&buf->lock);   
8. out:   
9.     return result;  

最后，当函数结束，或者在互斥锁被获取过程中发生错误时，互斥锁被解锁。重新编译模块（别忘了重新加载），然后再次进行测试。现在你应该没发现毁坏的数据了。

接下来是什么？

现在你已经尝试了一次内核黑客。我们刚刚为你揭开了这个话题的外衣，里面还有更多东西供你探索。我们的第一个模块有意识地写得简单一点，在从中学到的概念在更复杂的环境中也一样。并发、方法表、注册回调函数、使进程睡眠以及唤醒进程，这些都是内核黑客们耳熟能详的东西，而现在你已经看过了它们的运作。或许某天，你的内核代码也将被加入到主线linux源代码树中 —— 如果真这样，请联系我们！