導入

カーネル開発は、ハードウェアへの直接アクセスと実行時のオーバーヘッドが最小限に抑えられているため、従来は C の領域でした。ただし、C は、そのオブジェクト指向機能により、よりクリーンで保守性の高いコードにつながる可能性があるため、カーネル プログラミングに得意分野を見つけました。このガイドでは、カーネル プログラミング特有の要件を念頭に置きながら、環境のセットアップ、プロジェクトの構築、C 機能を使用したカーネル コードの記述に重点を置き、カーネル開発に C を使用する方法を説明します。
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前提条件

• オペレーティング システム: このガイドでは Linux を使用しますが、概念は一般的に適用可能です。
• カーネル サポートを備えた C コンパイラ: カーネル コンパイルに必要なフラグを備えた GCC または Clang。
• カーネル ヘッダー: カーネル バージョンと一致します。
• ビルド システム: 最新のアプローチのため CMake を使用しますが、Makefile も一般的です。

環境のセットアップ

1. 必要なツールをインストールします:
   • GCC または Clang
   • CMake
   • カーネルヘッダー

   sudo apt-get install build-essential cmake

標準ディストリビューションを使用している場合のカーネル ヘッダーの場合:

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

1. プロジェクト構造の作成:

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

Cでカーネルコードを書く

例として単純なカーネル モジュールから始めましょう:

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/)

コンパイルとロード

1. モジュールをビルドします:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. モジュールをインストールします:

   sudo make install

1. モジュールをロードします:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

次のコマンドで出力を表示します:

   dmesg | tail

カーネルコードの高度な C 機能

例外の安全性

カーネル空間では、標準ライブラリがないため、例外は通常無効になっているか、特別な処理が必要です:

// 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 (リソースの取得は初期化です)

RAII 原則はカーネル コンテキストでうまく機能し、メモリやファイル記述子のようなリソースの管理に役立ちます:

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;
    }
};

テンプレート

テンプレートは汎用プログラミングに慎重に使用できますが、カーネルの実行コンテキストに注意してください:

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

結論

C はオーバーヘッドの懸念があるため、カーネル開発には伝統的ではありませんが、その機能は、カーネル固有の考慮事項を念頭に置いて使用すると、よりクリーンで安全なコードにつながる可能性があります。このガイドは、カーネル空間で C を始めるための基礎を提供し、セットアップ、コンパイル、および基本的な C の使用例をカバーしました。カーネル プログラミングには、標準的なアプリケーション開発を超えて、ハードウェアの相互作用、低レベルのメモリ管理、およびシステム アーキテクチャについての深い理解が必要であることに注意してください。コードがパフォーマンス、メモリ使用量、安全性に関するカーネルのベスト プラクティスに準拠していることを常に確認してください。