Introducción

El desarrollo del kernel es tradicionalmente el ámbito de C debido a su acceso directo al hardware y su mínima sobrecarga de tiempo de ejecución. Sin embargo, C ha encontrado su nicho en la programación del kernel debido a sus características orientadas a objetos, que pueden conducir a un código más limpio y más fácil de mantener. Esta guía le explicará el uso de C para el desarrollo del kernel, enfocándose en configurar un entorno, estructurar su proyecto y escribir código del kernel con características de C, todo ello teniendo en cuenta los requisitos únicos de la programación del kernel.
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Requisitos previos

• Sistema operativo: Linux para esta guía, aunque los conceptos son generalmente aplicables.
• Compilador de C con soporte para kernel: GCC o Clang con los indicadores necesarios para la compilación del kernel.
• Encabezados del kernel: Coincidencia con la versión de su kernel.
• Construir sistema: Usaremos CMake debido a su enfoque moderno, aunque los Makefiles también son comunes.

Configurando su entorno

1. Instalar las herramientas necesarias:
   • GCC o sonido metálico
   • CCrear
   • Encabezados del kernel

   sudo apt-get install build-essential cmake

Para encabezados del kernel, si estás usando una distribución estándar:

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

1. Crear estructura de proyecto:

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

Escribir código kernel con C

Comencemos con un módulo de kernel simple como ejemplo:

src/principal.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/)

Compilando y cargando

1. Construir el módulo:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. Instalar el módulo:

   sudo make install

1. Cargar el módulo:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

Ver el resultado con:

   dmesg | tail

Funciones avanzadas de C en código kernel

Seguridad de excepción

En el espacio del kernel, las excepciones generalmente están deshabilitadas o requieren un manejo especial debido a la falta de una biblioteca estándar:

// 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 (La adquisición de recursos es inicialización)

Los principios RAII funcionan bien en contextos del kernel, ayudando a administrar recursos como la memoria o los descriptores de archivos:

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;
    }
};

Plantillas

Las plantillas se pueden usar con prudencia para la programación genérica, pero recuerde el contexto de ejecución del kernel:

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

Conclusión

Si bien C no es tradicional para el desarrollo del kernel debido a preocupaciones generales, sus características pueden generar un código más limpio y seguro si se usa teniendo en cuenta consideraciones específicas del kernel. Esta guía proporcionó una base para comenzar con C en el espacio del kernel, cubriendo la configuración, la compilación y los casos de uso fundamentales de C. Recuerde, la programación del kernel requiere una comprensión profunda de la interacción del hardware, la administración de memoria de bajo nivel y la arquitectura del sistema más allá del desarrollo de aplicaciones estándar. Asegúrese siempre de que su código cumpla con las mejores prácticas del kernel en cuanto a rendimiento, uso de memoria y seguridad.