Введение

Разработка ядра традиционно является областью C из-за его прямого доступа к оборудованию и минимальных затрат времени выполнения. Однако язык C нашел свою нишу в программировании ядра благодаря своим объектно-ориентированным функциям, которые могут привести к созданию более чистого и удобного в сопровождении кода. В этом руководстве рассматривается использование C для разработки ядра, уделяя особое внимание настройке среды, структурированию вашего проекта и написанию кода ядра с функциями C, при этом учитывая уникальные требования программирования ядра.
Посетите здесь, чтобы увидеть больше статей.

Торопитесь?

Если вы просто ищете полную статью, посетите . GenXJourney

Предварительные условия

• Операционная система: в данном руководстве используется Linux, хотя концепции в целом применимы.
• Компилятор C с поддержкой ядра: GCC или Clang с необходимыми флагами для компиляции ядра.
• Заголовки ядра: соответствуют версии вашего ядра.
• Система сборки: мы будем использовать CMake из-за его современного подхода, хотя файлы Makefile также распространены.

Настройка среды

1. Установите необходимые инструменты:
   • GCC или Clang
   • CMake
   • Заголовки ядра

   sudo apt-get install build-essential cmake

Для заголовков ядра, если вы используете стандартный дистрибутив:

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

1. Создать структуру проекта:

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

Написание кода ядра на C

Давайте начнем с простого модуля ядра в качестве примера:

источник/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/)

Компиляция и загрузка

1. Создайте модуль:

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. Установить модуль:

   sudo make install

1. Загрузить модуль:

   sudo insmod kernel-cpp.ko

Просмотрите результат с помощью:

   dmesg | tail

Расширенные функции C в коде ядра

Безопасность исключений

В пространстве ядра исключения обычно отключены или требуют специальной обработки из-за отсутствия стандартной библиотеки:

// 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 (приобретение ресурсов — это инициализация)

Принципы RAII хорошо работают в контексте ядра, помогая управлять такими ресурсами, как память или файловые дескрипторы:

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;
    }
};

Шаблоны

Шаблоны можно разумно использовать для общего программирования, но помните о контексте выполнения ядра:

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

Заключение

Хотя C не является традиционным для разработки ядра из-за проблем с накладными расходами, его функции могут привести к созданию более чистого и безопасного кода, если использовать его с учетом особенностей ядра. Это руководство предоставило основу для начала работы с C в пространстве ядра, охватывая настройку, компиляцию и основные варианты использования C. Помните, что программирование ядра требует глубокого понимания взаимодействия оборудования, низкоуровневого управления памятью и системной архитектуры, выходящего за рамки разработки стандартных приложений. Всегда следите за тем, чтобы ваш код соответствовал лучшим практикам ядра в отношении производительности, использования памяти и безопасности.