소개

커널 개발은 직접적인 하드웨어 액세스와 최소한의 런타임 오버헤드로 인해 전통적으로 C의 영역입니다. 그러나 C는 객체 지향 기능으로 인해 커널 프로그래밍에서 틈새 시장을 찾았으며, 이는 더 깔끔하고 유지 관리하기 쉬운 코드로 이어질 수 있습니다. 이 가이드에서는 커널 프로그래밍의 고유한 요구 사항을 염두에 두고 환경 설정, 프로젝트 구조화, C 기능으로 커널 코드 작성에 중점을 두고 커널 개발에 C를 사용하는 방법을 안내합니다.
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전제 조건

• 운영 체제: 이 가이드에서는 Linux를 사용하지만 개념은 일반적으로 적용 가능합니다.
• 커널을 지원하는 C 컴파일러: 커널 컴파일에 필요한 플래그가 있는 GCC 또는 Clang.
• 커널 헤더: 커널 버전과 일치합니다.
• 빌드 시스템: Makefile도 일반적이지만 현대적인 접근 방식으로 인해 CMake를 사용합니다.

환경 설정

1. 필요한 도구 설치:
   • GCC 또는 Clang
   • CMake
   • 커널 헤더

   sudo apt-get install build-essential cmake

커널 헤더의 경우 표준 배포판을 사용하는 경우:

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

1. 프로젝트 구조 생성:

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

C로 커널 코드 작성

예를 들어 간단한 커널 모듈부터 시작해 보겠습니다.

소스/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/)

컴파일 및 로드

1. 모듈 구축:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. 모듈 설치:

   sudo make install

1. 모듈 로드:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

다음을 사용하여 출력을 봅니다.

   dmesg | tail

커널 코드의 고급 C 기능

예외 안전

커널 공간에서는 표준 라이브러리가 부족하여 예외가 일반적으로 비활성화되거나 특별한 처리가 필요합니다.

// 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(리소스 획득이 초기화됨)

RAII 원칙은 커널 컨텍스트에서 잘 작동하여 메모리나 파일 설명자와 같은 리소스를 관리하는 데 도움이 됩니다.

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;
    }
};

템플릿

템플릿은 일반 프로그래밍에 신중하게 사용될 수 있지만 커널의 실행 컨텍스트를 기억하십시오.

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

결론

C는 오버헤드 문제로 인해 커널 개발에 전통적이지는 않지만 커널별 고려 사항을 염두에 두고 사용하면 C의 기능을 사용하면 더 깨끗하고 안전한 코드를 얻을 수 있습니다. 이 가이드는 설정, 컴파일 및 기본 C 사용 사례를 다루면서 커널 공간에서 C를 시작하기 위한 기초를 제공했습니다. 커널 프로그래밍에는 표준 애플리케이션 개발 이상의 하드웨어 상호 작용, 하위 수준 메모리 관리 및 시스템 아키텍처에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 성능, 메모리 사용 및 안전과 관련하여 코드가 커널 모범 사례를 항상 준수하는지 확인하세요.