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练习目的#xff1a;编写一个模块#xff0c;将它作为Linux内核空间的扩展来执行#xff0c;并报告模块加载时内核的当前进程信息#xff0c;进一步了解用户空间和内核空间的概念。
7.1 进程
进程是任何多道程序设计的操作系统中的基本概念。为了管理…实验7 显示进程列表
练习目的编写一个模块将它作为Linux内核空间的扩展来执行并报告模块加载时内核的当前进程信息进一步了解用户空间和内核空间的概念。
7.1 进程
进程是任何多道程序设计的操作系统中的基本概念。为了管理进程内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。例如内核必须知道进程的优先级它是正在CPU上运行还是因某些事件被阻塞给它分配什么样的地址空间允许它访问哪个文件等等。这正是进程描述符(process descriptor)的作用进程描述符都是task_struct 类型结构它的域包含了与一个进程相关的所有信息。因为进程描述符中存放了那么多信息所以它是相当复杂的。它本身不仅包含了很多域而且一些域还包括了指向其他数据结构的指针依此类推。
为了对给定类型的进程(例如在可运行状态的所有进程)进行有效的搜索内核建立了几个进程链表。有一个双向循环链表(参见图7.1)把所有现有的进程联系起来我们叫它为进程链表(process list)。每个进程的prev_task和next_task域用来实现链表。init_task指向描述符链表的头。另外宏current总是指向CPU的当前进程。 图7.1 进程链表
7.2 用户空间和内核空间
模块运行在所谓的内核空间Kernel space里而应用程序运行在所谓的用户空间里User space中这个概念是操作系统理论的基础之一。
我们通常将执行模式称作内核空间和用户空间。这两个术语不仅说明两种模式具有不同的优先权等级而且还说明每个模式都有自己的内存映射即自己的地址空间。
每当应用程序执行系统系统调用和被中断挂起时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它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硬件中断的内核代码则和进程是异步的因而与任何一个特定进程都无关。 图7.2 用户空间和内核空间切换的示例
7.3 问题陈述
设计并实现一个模块遍历进程描述符链表打印出系统的进程数目、当前进程并尽量多地打印每个进程的信息。
7.3.1部分A
查看系统已加载模块。写一个小的模块打印“hello world”。
7.3.2部分B
设计模块遍历进程描述符链表打印出系统的进程数目、当前进程并尽量多地打印每个进程的信息。例如进程PID进程状态等。
7.3.3部分C可选
使用模块实现一个系统调用也实现遍历进程链表的功能并编写一个用户程序测试体会利用模块从而带来的不用重新编译内核测试方便等好处。
7.4 解决问题
7.4.1部分A
查看系统已加载模块。写一个小的模块打印“hello world”
使用命令lsmod查看已加载模块如图7.3所示 图7.3 查看系统当前已加载模块
写一个小的模块打印“hello world”创建一个course_devise文件夹并进入该文件夹如图7.4所示 图2.4 创建文件夹并进入此文件夹
创建一个C语言文件命名为hello.c文件文件代码如下:
#include linux/module.h
#include linux/kernel.hMODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTHOR(20223626);
MODULE_DESCRIPTION(这是一个小的hello world模块);
static int __init hello_init(void) {printk(KERN_INFO Hello, World!\n);return 0;
}static void __exit hello_exit(void) {printk(KERN_INFO Goodbye, World!\n);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);创建好了之后如图7.5所示 图7.5 创建hello.c文件
接下来就是创建Makefile文件注意是使用TAB制表符不是空格文件代码如下
obj-m hello.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M$(PWD) modulesclean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M$(PWD) clean创建好了如图7.6所示 图7.6 创建Makefile文件
使用make命令开始编译模块编译完成之后如图7.7所示 图7.7 编译模块成功
再使用sudo insmod hello.ko加载模块
加载完模块之后使用dmesg | tail查看内核日志如图7.8所示 图7.8 加载模块成功
使用sudo rmmod hello卸载模块
卸载完模块之后使用dmesg | tail查看内核日志如图7.9所示 图7.9 卸载模块成功
7.4.2部分B
设计模块遍历进程描述符链表打印出系统的进程数目、当前进程并尽量多地打印每个进程的信息。例如进程PID进程状态等。
编写一个C语言文件命名为process_info.c代码如下所示
#include linux/module.h
#include linux/kernel.h
#include linux/sched.h
#include linux/init.hMODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTHOR(20223626);
MODULE_DESCRIPTION(这是一个打印进程信息的模块);static int __init process_info_init(void) {struct task_struct *task;int process_count 0;//初始化进程数量为0// 遍历进程链表for_each_process(task) {process_count;printk(KERN_INFO 进程ID: %d, 状态: %ld, 名字: %s\n,task-pid, task-__state, task-comm);}// 打印当前进程信息printk(KERN_INFO 当前进程ID: %d, 状态: %ld, 名字: %s\n,current-pid, current-__state, current-comm);// 打印进程总数printk(KERN_INFO 进程总数: %d\n, process_count);return 0;
}static void __exit process_info_exit(void) {printk(KERN_INFO 退出进程信息模块\n);
}module_init(process_info_init);
module_exit(process_info_exit);编写完代码如图7.10所示 图7.10 process_info.c的代码内容
在同一目录下创建一个名为 Makefile 的文件内容如下
obj-m process_info.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M$(PWD) modulesclean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M$(PWD) clean编写完Makefile之后如图7.11所示 图7.11 Makefile的代码内容
使用make开始编译模块编译完之后如图7.12所示使用sudo insmod process_info.ko加载模块 图7.12 模块编译成功
加载完模块之后使用dmesg查看信息如图7.13所示 图7.13 查看进程信息
卸载模块使用命令rmmod process_info.ko如图7.14所示 图7.14 卸载process_info模块
输入dmesg | tail命令查看信息如图7.15所示
图7.15 Makefile的代码内容
7.4.3部分C可选
使用模块实现一个系统调用也实现遍历进程链表的功能并编写一个用户程序测试体会利用模块从而带来的不用重新编译内核调试方便等好处。
步骤如下
写一个mymod.c代码如下
#include linux/module.h
#include linux/kernel.h
#include linux/init.h
#include linux/sched.h
#include linux/proc_fs.h
#include linux/seq_file.h// 该宏用于声明内核模块的基本信息
MODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTHOR(Your Name);
MODULE_DESCRIPTION(A Simple Linux Kernel Module for Traversing Process List);// 函数声明
static int process_list_show(struct seq_file *m, void *v);
static int process_list_open(struct inode *inode, struct file *file);// 定义文件操作结构体
static const struct proc_ops process_list_fops {.proc_open process_list_open,.proc_read seq_read,.proc_lseek seq_lseek,.proc_release single_release,
};// 在/proc目录下创建一个虚拟文件
static int __init process_list_init(void)
{proc_create(process_list, 0, NULL, process_list_fops);pr_info(Process list module loaded\n);return 0;
}static void __exit process_list_exit(void)
{remove_proc_entry(process_list, NULL);pr_info(Process list module unloaded\n);
}// 打开文件时的回调函数
static int process_list_open(struct inode *inode, struct file *file)
{return single_open(file, process_list_show, NULL);
}// 遍历进程链表并显示信息
static int process_list_show(struct seq_file *m, void *v)
{struct task_struct *task;// 遍历所有进程for_each_process(task) {seq_printf(m, PID: %d, Name: %s\n, task-pid, task-comm);}return 0;
}module_init(process_list_init);
module_exit(process_list_exit);写好代码如图7.16所示 图7.16 mymod.c的内容
在同一目录下创建Makefile文件注意Makefile文件里的make前面的空一定要使用TAB而不是空格代码如下所示
KVERS $(shell uname -r)# Kernel modulesobj-m mymod.obuild: kernel_moduleskernel_modules:make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M$(CURDIR) modulesclean:make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M$(CURDIR) clean编写完Makefile文件如图7.17所示 图7.17 Makefile的代码内容
使用make指令开始编译模块编译完之后如图7.18所示 图7.18 编译完之后的结果
写一个用户程序test_proc_list.c测试代码如下
#include stdio.h
#include stdlib.hint main() {FILE *fp;char buffer[256];// 打开/proc/process_list文件fp fopen(/proc/process_list, r);if (fp NULL) {perror(Failed to open /proc/process_list);return 1;}// 读取并输出每一行while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) ! NULL) {printf(%s, buffer);}fclose(fp);return 0;}开始加载模块使用命令insmod mymod.ko加载好了之后使用gcc -o test_proc_list test_proc_list.c开始编译用户文件编译好了之后使用./test_proc_list执行用户文件执行完之后如7.19所示 图7.19 执行完test_proc_list之后的结果
7.5 实验总结
1.模块加载与卸载 本次实验首先学习了如何编写和加载一个简单的 Linux 内核模块通过打印“hello world”来验证模块的基本功能。这一过程涉及到使用 module_init 和 module_exit 宏确保模块能够正确加载和卸载。在加载模块后通过 dmesg 命令查看内核日志确认输出信息。
2.遍历进程描述符链表 在实验的第二部分设计了一个模块来遍历进程描述符链表。使用 for_each_process 宏可以遍历系统中所有的进程并打印出每个进程的详细信息包括进程 ID、状态、名称等。通过这种方式能够直观地了解系统中正在运行的进程及其状态。
3.进程信息的输出 为了确保输出的信息尽量丰富模块中实现了对每个进程的详细打印。除了基本的 PID 和状态还可以扩展打印其他信息如优先级、父进程 ID 等。这种信息的收集和展示有助于理解系统资源的使用情况和进程管理的机制。
4.实验收获与反思 通过本次实验深入理解了 Linux 内核模块的基本结构和功能掌握了进程管理的基本概念。实践中发现内核模块的开发需要对内核数据结构有一定的了解同时也要注意内核与用户空间的区别。未来可以进一步探索更多的内核功能如信号处理、内存管理等以加深对 Linux 内核的理解。
