内核开发中的 C++：综合指南

介绍

由于直接硬件访问和最小的运行时开销，内核开发传统上是 c++ 的领域。然而，c++ 由于其面向对象的特性而在内核编程中找到了自己的位置，这可以带来更干净、更易于维护的代码。本指南将逐步介绍如何使用 c++ 进行内核开发，重点是设置环境、构建项目以及使用 c++ 功能编写内核代码，同时牢记内核编程的独特要求。
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先决条件

• 操作系统：本指南使用 linux，但概念普遍适用。
• 具有内核支持的 c++ 编译器：带有内核编译所需标志的 gcc 或 clang。
• 内核标头：匹配您的内核版本。
• 构建系统：由于 cmake 的现代方法，我们将使用 cmake，尽管 makefile 也很常见。

设置您的环境

1. 安装必要的工具：
   • gcc 或 clang
   • cmake
   • 内核头文件

   sudo apt-get install build-essential cmake

对于内核头文件，如果您使用的是标准发行版：

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

1. 创建项目结构：

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

使用 c++ 编写内核代码

让我们从一个简单的内核模块开始作为示例：

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/)

编译和加载

1. 构建模块：

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make

1. 安装模块：

   sudo make install

1. 加载模块：

   sudo insmod kernel-cpp.ko

使用以下命令查看输出：

   dmesg | tail

内核代码中的高级 c++ 功能

异常安全

在内核空间中，由于缺乏标准库，异常通常被禁用或需要特殊处理：

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// 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（资源获取即初始化）

raii 原则在内核上下文中运行良好，有助于管理内存或文件描述符等资源：

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;
    }
};

模板

模板可以明智地用于通用编程，但请记住内核的执行上下文：

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

结论

虽然由于开销问题，c++ 并不是内核开发的传统语言，但如果在使用时考虑到特定于内核的注意事项，它的功能可以带来更干净、更安全的代码。本指南为在内核空间中开始使用 c++ 奠定了基础，涵盖设置、编译和基本 c++ 用例。请记住，内核编程需要深入了解硬件交互、低级内存管理和标准应用程序开发之外的系统架构。始终确保您的代码遵循有关性能、内存使用和安全性的内核最佳实践。