Einführung

Kernel-Entwicklung ist aufgrund des direkten Hardware-Zugriffs und des minimalen Laufzeit-Overheads traditionell die Domäne von C. Allerdings hat C aufgrund seiner objektorientierten Funktionen, die zu saubererem und besser wartbarem Code führen können, seine Nische in der Kernel-Programmierung gefunden. Dieser Leitfaden führt Sie durch die Verwendung von C für die Kernel-Entwicklung und konzentriert sich auf die Einrichtung einer Umgebung, die Strukturierung Ihres Projekts und das Schreiben von Kernel-Code mit C-Funktionen, wobei die besonderen Anforderungen der Kernel-Programmierung berücksichtigt werden.
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Voraussetzungen

• Betriebssystem: Linux für dieses Handbuch, obwohl die Konzepte allgemein anwendbar sind.
• C-Compiler mit Kernel-Unterstützung: GCC oder Clang mit notwendigen Flags für die Kernel-Kompilierung.
• Kernel-Header: Passend zu Ihrer Kernel-Version.
• Build-System: Wir werden CMake aufgrund seines modernen Ansatzes verwenden, obwohl Makefiles auch üblich sind.

Einrichten Ihrer Umgebung

1. Notwendige Tools installieren:
   • GCC oder Clang
   • CMake
   • Kernel-Header

   sudo apt-get install build-essential cmake

Für Kernel-Header, wenn Sie eine Standardverteilung verwenden:

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

1. Projektstruktur erstellen:

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

Kernel-Code mit C schreiben

Beginnen wir mit einem einfachen Kernel-Modul als Beispiel:

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/)

Kompilieren und Laden

1. Erstellen Sie das Modul:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. Modul installieren:

   sudo make install

1. Modul laden:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

Ausgabe anzeigen mit:

   dmesg | tail

Erweiterte C-Funktionen im Kernel-Code

Ausnahmesicherheit

Im Kernel-Space sind Ausnahmen im Allgemeinen deaktiviert oder erfordern aufgrund des Fehlens einer Standardbibliothek eine besondere Behandlung:

// 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 (Ressourcenbeschaffung ist Initialisierung)

RAII-Prinzipien funktionieren gut in Kernel-Kontexten und helfen bei der Verwaltung von Ressourcen wie Speicher oder Dateideskriptoren:

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;
    }
};

Vorlagen

Vorlagen können sinnvoll für die generische Programmierung verwendet werden, aber denken Sie an den Ausführungskontext des Kernels:

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

Abschluss

Während C aufgrund von Overhead-Bedenken nicht traditionell für die Kernel-Entwicklung geeignet ist, können seine Funktionen zu saubererem und sichererem Code führen, wenn sie unter Berücksichtigung Kernel-spezifischer Überlegungen verwendet werden. Dieses Handbuch lieferte eine Grundlage für den Einstieg in C im Kernel-Bereich und behandelte die Einrichtung, Kompilierung und grundlegende C-Anwendungsfälle. Denken Sie daran, dass die Kernel-Programmierung ein tiefes Verständnis der Hardware-Interaktion, der Low-Level-Speicherverwaltung und der Systemarchitektur erfordert, die über die Standardanwendungsentwicklung hinausgeht. Stellen Sie immer sicher, dass Ihr Code den Best Practices des Kernels in Bezug auf Leistung, Speichernutzung und Sicherheit entspricht.