مقدمة

يعد تطوير Kernel تقليديًا عالم لغة C نظرًا لوصوله المباشر إلى الأجهزة والحد الأدنى من الحمل الزائد لوقت التشغيل. ومع ذلك، فقد وجدت لغة C مكانتها في برمجة kernel نظرًا لميزاتها الموجهة للكائنات، والتي يمكن أن تؤدي إلى تعليمات برمجية أكثر نظافة وأكثر قابلية للصيانة. سيتناول هذا الدليل كيفية استخدام لغة C لتطوير النواة، مع التركيز على تهيئة البيئة، وتنظيم مشروعك، وكتابة كود النواة باستخدام ميزات لغة C، كل ذلك مع مراعاة المتطلبات الفريدة لبرمجة النواة.
قم بالزيارة هنا لمزيد من المقالات.

في عجلة من امرنا؟

إذا كنت تبحث فقط عن المقالة الكاملة، فتفضل بزيارة. رحلة جينكس

المتطلبات الأساسية

• نظام التشغيل: Linux لهذا الدليل، على الرغم من أن المفاهيم قابلة للتطبيق بشكل عام.
• مترجم C مع دعم Kernel: دول مجلس التعاون الخليجي أو Clang مع العلامات اللازمة لتجميع kernel.
• رؤوس النواة: مطابقة إصدار النواة الخاص بك.
• نظام البناء: سنستخدم CMake بسبب أسلوبه الحديث، على الرغم من أن ملفات Makefiles شائعة أيضًا.

إعداد بيئتك

1. تثبيت الأدوات اللازمة:
   • دول مجلس التعاون الخليجي أو كلانج
   • CMake
   • رؤوس النواة

   sudo apt-get install build-essential cmake

بالنسبة لرؤوس النواة، إذا كنت تستخدم التوزيع القياسي:

   sudo apt-get install linux-headers-$(uname -r)

1. إنشاء هيكل المشروع:

   kernel-cpp/
   ├── build/
   ├── src/
   │   ├── drivers/
   │   ├── kernel/
   │   ├── utils/
   │   └── main.cpp
   ├── include/
   │   ├── drivers/
   │   └── utils/
   ├── CMakeLists.txt
   └── Kconfig

كتابة كود النواة باستخدام C

لنبدأ بوحدة نواة بسيطة كمثال:

src/main.cpp

#include 
#include 
#include 
#include 

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple C   kernel module");

static int __init hello_cpp_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, C   Kernel World!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_cpp_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, C   Kernel World!\n");
}

module_init(hello_cpp_init);
module_exit(hello_cpp_exit);

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(KernelCppModule VERSION 1.0 LANGUAGES CXX)

# Define kernel version
set(KERNEL_VERSION "5.4.0-26-generic")

# Include directories
include_directories(/usr/src/linux-headers-${KERNEL_VERSION}/include)

# Source files
set(SOURCES
    src/main.cpp
)

# Compile settings
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -mno-pie -fno-pie -fno-stack-protector -fno-asynchronous-unwind-tables -fwhole-program")

add_library(${PROJECT_NAME} MODULE ${SOURCES})
set_target_properties(${PROJECT_NAME} PROPERTIES PREFIX "")

# Link against kernel modules
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}
    PRIVATE
        m
        ${CMAKE_SOURCE_DIR}/usr/src/linux-headers-${KERNEL_VERSION}/arch/x86/kernel/entry.o
)

# Install the module
install(TARGETS ${PROJECT_NAME} DESTINATION /lib/modules/${KERNEL_VERSION}/extra/)

تجميع وتحميل

1. إنشاء الوحدة:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. تثبيت الوحدة:

   sudo make install

1. تحميل الوحدة:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

عرض الإخراج مع:

   dmesg | tail

ميزات C المتقدمة في كود Kernel

سلامة الاستثناء

في مساحة النواة، يتم تعطيل الاستثناءات بشكل عام أو تتطلب معالجة خاصة بسبب عدم وجود مكتبة قياسية:

// Instead of exceptions, use return codes or error handling objects
int divide(int a, int b, int &result) {
    if (b == 0) {
        printk(KERN_ERR "Division by zero\n");
        return -EINVAL;
    }
    result = a / b;
    return 0;
}

RAII (الحصول على الموارد هو التهيئة)

تعمل مبادئ RAII بشكل جيد في سياقات kernel، مما يساعد على إدارة الموارد مثل الذاكرة أو واصفات الملفات:

class FileDescriptor {
    int fd;
public:
    FileDescriptor() : fd(-1) {}
    ~FileDescriptor() { if (fd != -1) close(fd); }
    int open(const char *path, int flags) {
        fd = ::open(path, flags);
        return fd;
    }
};

قوالب

يمكن استخدام القوالب بحكمة للبرمجة العامة، ولكن تذكر سياق تنفيذ النواة:

template
T* getMemory(size_t size) {
    void* mem = kmalloc(size * sizeof(T), GFP_KERNEL);
    if (!mem) return nullptr;
    return static_cast(mem);
}

خاتمة

على الرغم من أن لغة C ليست لغة تقليدية لتطوير النواة بسبب المخاوف العامة، إلا أن ميزاتها يمكن أن تؤدي إلى تعليمات برمجية أكثر نظافة وأمانًا إذا تم استخدامها مع وضع الاعتبارات الخاصة بالنواة في الاعتبار. قدم هذا الدليل أساسًا للبدء بـ C في مساحة kernel، ويغطي الإعداد والتجميع وحالات الاستخدام الأساسية للغة C. تذكر أن برمجة kernel تتطلب فهمًا عميقًا لتفاعل الأجهزة وإدارة الذاكرة منخفضة المستوى وبنية النظام بما يتجاوز تطوير التطبيقات القياسية. تأكد دائمًا من التزام التعليمات البرمجية الخاصة بك بأفضل ممارسات kernel فيما يتعلق بالأداء واستخدام الذاكرة والسلامة.