介紹

由於直接硬體存取和最小的運行時開銷，核心開發傳統上是 C 的領域。然而，由於其物件導向的特性，C 在核心程式設計中找到了自己的位置，這可以帶來更乾淨、更易於維護的程式碼。本指南將逐步介紹如何使用 C 進行核心開發，重點是設定環境、建置專案以及使用 C 功能編寫核心程式碼，同時牢記核心程式設計的獨特要求。
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先決條件

• 作業系統：本指南適用於 Linux，但概念普遍適用。
• 具有核心支援的 C 編譯器：帶有核心編譯所需標誌的 GCC 或 Clang。
• 核心標頭：符合您的核心版本。
• 建置系統：由於 CMake 的現代方法，我們將使用 CMake，儘管 Makefile 也很常見。

設定您的環境

1. 安裝必要的工具：
   • GCC 或 Clang
   • CMake
   • 內核頭文件

   sudo apt-get install build-essential cmake

對於內核頭文件，如果您使用的是標準發行版：

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

1. 創建專案結構：

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

用 C 編寫內核程式碼

我們先以一個簡單的核心模組為例：

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/)

編譯和載入

1. 建置模組：

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. 安裝模組：

   sudo make install

1. 載入模組：

   sudo insmod kernel-cpp.ko

查看輸出：

   dmesg | tail

內核程式碼中的進階 C 功能

異常安全

在核心空間中，由於缺乏標準庫，異常通常被停用或需要特殊處理：

// 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（資源取得即初始化）

RAII 原則在核心上下文中運作良好，有助於管理記憶體或檔案描述符等資源：

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;
    }
};

範本

模板可以明智地用於泛型編程，但請記住內核的執行上下文：

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

結論

雖然由於開銷問題，C 並不是核心開發的傳統語言，但如果在使用時考慮到特定於核心的注意事項，它的功能可以帶來更乾淨、更安全的程式碼。本指南為在核心空間中開始使用 C 奠定了基礎，涵蓋設定、編譯和基本 C 用例。請記住，核心程式設計需要深入了解硬體互動、低階記憶體管理和標準應用程式開發以外的系統架構。始終確保您的程式碼遵循有關效能、記憶體使用和安全性的核心最佳實踐。