如何使用Linux内核中没有被导出的变量或函数

如何使用Linux内核中没有被EXPORT_SYMBOL宏导出的变量或函数？ 我们拿代码举例，给出三种方法，给出验证，不妨先看如下一段内核模块，功能为打印超级块super_block结构中一些域的值：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/kdev_t.h>

static int __init my_init(void)
{  
    struct super_block *sb;  
    struct list_head *pos;
    struct list_head *linode;
    struct inode *pinode;
    unsigned long long count = 0;

    printk("\nPrint some fields of super_blocks:\n");
    spin_lock(&sb_lock);  //加锁
    list_for_each(pos, &super_blocks) {
        sb = list_entry(pos, struct super_block, s_list);  
        printk("dev_t:%d:%d", MAJOR(sb->s_dev),MINOR(sb->s_dev));
        //打印文件系统所在设备的主设备号和次设备号 
        printk("file_type name:%s\n", sb->s_type->name);
        //打印文件系统名
        list_for_each(linode, &sb->s_inodes) {
	        pinode=list_entry(linode, struct inode, i_sb_list);
	        count++;
	        printk("%lu\t", pinode->i_ino); //打印索引节点号
   		}
	}  
spin_unlock(&sb_lock);		
printk("The number of inodes:%llu\n", sizeof(struct inode)*count);  
return 0;
}

static void __exit my_exit(void)  
{  
        printk("unloading print_sb\n");  
}  
module_init(my_init);  
module_exit(my_exit);  
MODULE_LICENSE("GPL");  

Makefile文件如下：

obj-m:=print_sb.o
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
all:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

但是在编译过程中会发生如下错误：

编译报错，‘sb_lock’ undeclared (first use in this function);，‘super_blocks’ undeclared (first use in this function);，即sb_lock和super_blocks变量没有定义，实际上在内核中已经定义了这两个变量，包含在头文件fs.h和spinlock.h中，在内核源码中如下：

在4.19版内核fs\super.c中，定义了super_blocks变量来指向super_block结构中的s_list双链表的链表头，其中s_list是用来链接系统中已安装文件系统超级块的双向链表。也定义了sb_lock锁变量对超级块的相关操作进行加锁，如下图：

编译报错的原因就是在内核中并没有导出sb_lock和super_blocks变量，那么问题来了：

1、我们为什么不导出更多的变量或者函数来供我们使用呢？
感兴趣的同学可以和我讨论一下。

2、那么我们可以使用内核中没有导出的函数或变量吗？
答案是肯定的。

下面给出一些方法来使用内核中未被导出的函数或变量：

方法一：使用EXPORT_SYMBOL宏导出函数或变量

Linux内核提供了一个方便的方法用来管理符号的对模块外部的可见性，即内核符号表。在4.19版内核include\linux\export.h中，定义了EXPORT_SYMBOL宏，如下图：

如果我们要使用内核中的变量或函数，可以使用上图中的宏，在函数或变量定义后使用如下宏，然后编译内核：

EXPORT_SYMBOL(sb_lock);

或者

EXPORT_SYMBOL_GPL(sb_lock);

此时EXPORT_SYMBOL定义的函数或者变量对全部内核代码公开，不用修改内核代码就可以在内核模块中直接调用，即使用EXPORT_SYMBOL可以将一个函数或变量以符号的方式导出给其他模块使用。EXPORT_SYMBOL导出的符号，是把这些符号和对应的地址保存起来，在内核运行的过程中，可以找到这些符号对应的地址。而模块在加载过程中，其本质就是能动态连接到内核，如果在模块中引用了内核或其它模块的符号，就要EXPORT_SYMBOL这些符号，这样才能找到对应的地址连接。

上面的两个宏均可把给定的符号导出到模块外，EXPORT_SYMBOL_GPL宏只能使符号对GPL许可的模块可用。符号必须在模块文件的全局部分导出，不能在函数中导出，这是因为上述这两个宏将被扩展成一个特殊用途的声明，而该变量必须是全局的。这个变量存储于模块的一个特殊的可执行部分(一个"ELF段" )，在装载时，内核通过这个段来寻找模块导出的变量。

上述方法需要修改内核代码，编译内核。

方法二：使用kallsyms_lookup_name()查找函数或变量的虚拟地址

kallsyms抽取了内核用到的所有函数地址（全局的、静态的）和非栈数据变量地址，生成了一个数据块，作为只读数据链接进kernel image，使用root权限可以在/proc/kallsyms中查看，没错，root权限下是可以直接看到内核函数的虚拟地址，如下图所示：

使用kallsyms_lookup_name()函数可以找到对应符号在内核中的虚拟地址，包含在头文件linux/kallsyms.h中，它接受一个字符串格式内核函数，返回那个内核函数的地址，如果没找到指定的内核函数，它会返回0，要使用它必须启用CONFIG_KALLSYMS配置编译内核。 在4.19版内核kernel\kallsyms.c中kallsyms_lookup_name()函数定义如下：

/* Lookup the address for this symbol. Returns 0 if not found. */
unsigned long kallsyms_lookup_name(const char *name)
{
	char namebuf[KSYM_NAME_LEN];
	unsigned long i;
	unsigned int off;

	for (i = 0, off = 0; i < kallsyms_num_syms; i++) {
		off = kallsyms_expand_symbol(off, namebuf, ARRAY_SIZE(namebuf));

		if (strcmp(namebuf, name) == 0)
			return kallsyms_sym_address(i);
	}
	return module_kallsyms_lookup_name(name);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(kallsyms_lookup_name);

可以看到该函数已经使用EXPORT_SYMBOL_GPL，可以直接在内核模块中使用。如果要使用内核中未被导出的函数，我们可以定义钩子函数，返回值和参数都要与我们要导出的函数原型一致。在打印超级块super_block结构中一些域值的例子中，我们可以这样使用：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/kallsyms.h>

spinlock_t * sb_lock_address;
struct list_head * super_blocks_address;

static int __init my_init(void)
{  
    struct super_block *sb;  
    struct list_head *pos;
    struct list_head *linode;
    struct inode *pinode;
    unsigned long long count = 0;

    sb_lock_address = (spinlock_t *)kallsyms_lookup_name("sb_lock"); 
    super_blocks_address = (struct list_head *)kallsyms_lookup_name("super_blocks"); 

    printk("\nPrint some fields of super_blocks:\n");

    spin_lock(sb_lock_address); 
    
    list_for_each(pos, super_blocks_address) {
        sb = list_entry(pos, struct super_block, s_list);  
        printk("dev_t:%d:%d", MAJOR(sb->s_dev),MINOR(sb->s_dev));
        //打印文件系统所在设备的主设备号和次设备号 
        printk("file_type name:%s\n", sb->s_type->name);
        //打印文件系统名

        list_for_each(linode, &sb->s_inodes) {
	        pinode=list_entry(linode, struct inode, i_sb_list);
	        count++;
	        printk("%lu\t", pinode->i_ino); //打印索引节点号
   		}
	}  
spin_unlock(sb_lock_address);		
printk("The number of inodes:%llu\n", sizeof(struct inode)*count);  
return 0;
}

static void __exit my_exit(void)  
{  
        printk("unloading…\n");  
}  
module_init(my_init);  
module_exit(my_exit);  
MODULE_LICENSE("GPL");  

编译过程如下图所示，可以看到，并没有编译报错，我们已经成功地使用了内核中未被导出的的变量 sb_lock 和 super_blocks：

加载模块后使用dmesg查看结果：

反之，内核中也有通过虚拟地址查找内核中的函数或变量的函数 sprint_symbol，在内核中被定义如下：

int sprint_symbol(char *buffer, unsigned long address)
{
	return __sprint_symbol(buffer, address, 0, 1);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(sprint_symbol);

可以看到，sprint_symbol 函数是__sprint_symbol函数的封装，该函数已经使用EXPORT_SYMBOL_GPL导出，可以直接在内核模块中使用。该函数有两个参数，第一个参数是buffer，字符型文本缓冲区， 它用来记录内核符号的信息， 是一个输出型参数，第二个参数是address，无符号长整型的内核符号中的某一地址， 是一个输入型参数。该函数中调用了__sprint_symbol内核函数，定义如下：

/* Look up a kernel symbol and return it in a text buffer. */
static int __sprint_symbol(char *buffer, unsigned long address,
			   int symbol_offset, int add_offset)
{
	char *modname;
	const char *name;
	unsigned long offset, size;
	int len;

	address += symbol_offset;
	name = kallsyms_lookup(address, &size, &offset, &modname, buffer);
	if (!name)
		return sprintf(buffer, "0x%lx", address - symbol_offset);

	if (name != buffer)
		strcpy(buffer, name);
	len = strlen(buffer);
	offset -= symbol_offset;

	if (add_offset)
		len += sprintf(buffer + len, "+%#lx/%#lx", offset, size);

	if (modname)
		len += sprintf(buffer + len, " [%s]", modname);

	return len;
}

__sprint_symbol函数的功能是根据一个内存中的地址 address 查找一个内核符号，并将该符号的基本信息，如符号名 name在内核符号表中的偏移 offset 和大小 size，所属的模块名(如果有的话)等信息连接成字符串赋值给文本缓冲区 buffer，所查找的内核符号可以是原本就存在于内核中的符号, 也可以是位于动态插入的模块中的符号，其中使用了kallsyms_lookup函数，定义如下：

static inline const char *kallsyms_lookup(unsigned long addr,
					  unsigned long *symbolsize,
					  unsigned long *offset,
					  char **modname, char *namebuf)
{
	return NULL;
}

方法三：内核模块中直接使用内核函数的虚拟地址

首先介绍三种获取内核函数或变量的方法

在 /proc/kallsyms 文件获得内核函数或变量的虚拟地址

此方法同样用到kallsyms，我们可以使用如下命令直接找到内核中 sb_lock 和 super_block 变量的虚拟地址，命令如下，图如下：

cat /proc/kallsyms | grep sb_lock
cat /proc/kallsyms | grep super_blocks

在 System.map 文件获得内核函数或变量的虚拟地址

内核镜像的 System.map 文件存储了内核符号表的信息, 可以通过此文件获取到具体内核函数或变量的虚拟地址，命令如下，图如下：

grep sb_lock /boot/System.map-4.18.0-15-generic
grep super_blocks /boot/System.map-4.18.0-15-generic

还可以通过给定一个虚拟地址来查看地址对应哪个内核函数，命令如下图如下：

grep ffffffff8252efe0 /boot/System.map-4.18.0-15-generic
grep ffffffff82af35d4 /boot/System.map-4.18.0-15-generic

可以看到，不管用哪种方法，内核中 sb_lock 变量的虚拟地址为ffffffff922f35d4，super_blocks 变量的虚拟地址为ffffffff91d2efe0，现在我们修改内核模块代码为如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/kdev_t.h>

#define SUPER_BLOCKS_ADDRESS 0xffffffff91d2efe0
#define SB_LOCK_ADDRESS 0xffffffff922f35d4

static int __init my_init(void)
{  
    struct super_block *sb;  
    struct list_head *pos;
    struct list_head *linode;
    struct inode *pinode;
    unsigned long long count = 0;

    printk("\nPrint some fields of super_blocks:\n");

    spin_lock((spinlock_t *)SB_LOCK_ADDRESS); //加锁
    
    list_for_each(pos, (struct list_head *)SUPER_BLOCKS_ADDRESS) { 

        sb = list_entry(pos, struct super_block, s_list);  
        printk("dev_t:%d:%d", MAJOR(sb->s_dev),MINOR(sb->s_dev));
        //打印文件系统所在设备的主设备号和次设备号 
        printk("file_type name:%s\n", sb->s_type->name);
        //打印文件系统名

        list_for_each(linode, &sb->s_inodes) {
	        pinode=list_entry(linode, struct inode, i_sb_list);
	        count++;
	        printk("%lu\t", pinode->i_ino); //打印索引节点号
   		}
	}  
	
spin_unlock(SB_LOCK_ADDRESS);
printk("The number of inodes:%llu\n", sizeof(struct inode)*count);  
return 0;
}

static void __exit my_exit(void)  
{  
        printk("unloading…\n");  
}  
module_init(my_init);  
module_exit(my_exit);  
MODULE_LICENSE("GPL");  

结果显示，这种方法也可以使用内核中未被导出的函数或变量，但是这仅仅可以临时使用，并非长久之计，每次重启系统，这个变量的虚拟地址会发生变化，若要继续使用，还得再查看地址，再修改宏定义，至于地址发生变化的原因，这与内核符号表有关。
/proc/kallsyms文件是在内核启动后生成的，是动态的符号表，位于文件系统的/proc目录下，实现代码在kernel/kallsyms.c，使用前提是内核必须打开CONFIG_KALLSYMS编译选项。

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静而后定，定能生慧