Linux Kernel 中的 C++ 代码

OSC开源社区 · 公众号 · 程序员 · 2016-11-06 08:46

正文

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英文：C++ in the Linux Kernel

链接：https://dzone.com/articles/c-in-the-linux-kernel

译者：Tocy, wnull, 雷神短歌

我见过很多疯狂的事，我也做过很多疯狂的事。今天我就给你们讲一个。

一个开发走进一间酒吧。他喝的非常非常醉后跟他的老板聊天。那段对话最终的结果是他接受了一个任务—— 用 C++ 写一个 Linux 内核模块。我就是那个开发，不算走进酒吧并喝醉的那部分。当我提倡做 C 的发展能取得一些成绩时，这个提议被推翻了。随后我只能满怀热情投入到任务中。

回想起来，我不会建议走这条路。但是，你也许会想用 C++ 能做一个跨平台的代码库。也许你觉得你能发现做 C++ 工程师比 C 工程师简单。也许你会觉得 Linus Torvalds’ 的观点奇怪并且过时了。在我年轻的时候我很无知，并且那些注意事项影响着我。在那个时候我不想说服每一点。也许在未来我会再看一次，但是现在，我只想重申我强烈反对用 C++ 写 Linux 内核模块。

还在看吗？假设你觉得自己与众不同，可以超越这些条条框框。让我知道后来怎么样了。无论如何，我现在分享一些我的资源和经验。也许你也能在这努力中找到成就感（一脸怀疑）。

学习Linux内核开发技术

你可以从阅读《学习通用的 Linux 内核开发》一书开始。如果你以前没有涉及过这个部分，那么祝你好运。我不知道是否存在可以解决一切问题的银弹。我找到了一本有用的 O'Reilly 书，作为我的整个冒险过程中的参考：Jonathan Corbet，Alessandro Rubini和Greg Kroah-Hartman编著的《 Linux 设备驱动开发》。通读这本书并加入一些邮件列表。虽然有点简洁和神秘，我还推荐“不可靠指南之破解 Linux 内核”一文（Unreliable Guide to Hacking the Linux Kernel）。这个标题应该可以指引你进入你所努力的项目类型中。

一个必要且必要的基础知识是 Makefile 结构，虽然它看起来很不相干。同时我强烈建议阅读下关于如何使用 Linux 内核 makefile 的指南（a guide）（再来一份多个指南和我在最后一段提到的书），它是相当容易开始。内核模块的 makefile 与应用程序 makefile 的不同之处在于内核模块 makefile 在内核构建环境中读入并运行。相当一部分烦恼是如何获得你想要的环境到你实际生成对象的环境。

内核中的C++

我并不是将 C++ 应用到 Linux 内核的第一人，因此可以说我是站在前人的肩膀上。Pograph 的博文 Porting C++ code to Linux kernel 看起来相当不错。我发现我在过去某个版本中寻求帮助的评论如下：

这个示例貌似不适合我。是代码太陈旧还是我做错了什么呢？

其他人在评论中说参考这个博文成功过，所以我认为我可能是错过了什么。一遍遍的重复、尝试。现在，一个用户名为 korisk 的 GitHub 用户设置了一个代码仓库（包含更新），为基于该博客文章的 an empty C++ module scaffolding 提供源码。不幸的是，它在我写这个时候没有明确的授权许可，但至少它是一个东西，对不对？

我在 OSDev.org 中发现了关于 C ++ 内核模块开发知识的真正宝藏。他们有一篇关于 C ++ 问题的完整文章。其中包括如何规避模板和异常、虚函数的处理以及内存操作符的定义。它甚至包括大量的代码示例。你可能会问为什么我不以此开篇呢。好吧，我更想要你像我一样经历同样的遭遇。实际上，像大多数内核文档一样，该页面上的信息很少或没有上下文。这使得深入其中相当困难。该页面还主要关心自身的目标，如何构建完整的系统内核。虽然学术上很有趣，但绝大多数人只需要构建一个 hook 到现有 Linux 内核的模块即可。

陷阱

让我们来谈谈我遇到的一些陷阱。

搞清如何处理 Linux 内核头文件。我不得不将一些头文件包含在内，因为如果它不与内核交互，那运行内核模块的意义何在？ Linux 内核头文件中包括一些不能与 C++ 完美配合的 C 代码。我目前主要考虑保留字冲突问题，但也包括编译知识语句以及其他棘手问题。它需要一点手动操作，以使其准备好由 C ++ 代码消费。除了它不只需要一次。我不能只是解决这个问题，然后继续。虽然各种头部有一些一致性，但它们会改变。所以，我可能需要调整每次一个新的内核版本出来。乘以内核修订的频率和受支持的分布使用的内核的数量，并且我最终比我想要手动维护（我有其他事情要做）。

为了供 C++ 使用，它需要一些手动调整。只是这不只需要一次。我不能只是解决这个问题，然后转而处理其他问题。虽然各种不同的头文件拥有某些一致性，但是它们会改变。所以，当每次一个新的内核版本出来时我可能都需要重新调整。考虑到乘以内核修订的频次和受支持的发布版本使用的内核的数量，我最终要做比我手动维护数倍的工作（我有诸多其他事情要做）。

所以，我自动化了这个过程。我使用了 CIL ，一个用于 C 语言的源码的解析器和变换器。它可以读取Linux内核头文件到一个抽象语法树中，操作该树，然后将该树输出为 C ++ 友好的格式。 CIL 内置的转换并没有覆盖我所有的需求，所以我写了一个模块，捕获所有的松散端和奇怪的边界情况。当一个新的内核出来时，我只需要通过这个转换结构处理源代码，然后在我的 C ++ 内核模块中使用它们。

我讨厌字符串. 他们看起来像很简单的概念，但最终，他们需要太多的工作。像字符宽度那样简单的东西很快变得微妙起来。说实话，这里的大部分痛苦来自于在跨平台代码库中的工作，而不是试图使用 C ++ 做可以用 C 做的事。要考虑OS X、Windows（用户和内核空间）和Linux（用户和内核空间）上的字符宽度，这已经足够烦人了，但后来还要考虑 Unicode 和全球化，在某种程度上，这超出了我能处理的范围。孩子们，丢掉你关于字符串长度、内存分配、以及 null 终止符的假定吧。

你可能会认为你不需要了解寄存器，因为你使用的是像 C++ 这样的第三代编程语言（3GL）。那你有可能错了。我发现我的 C/C++ 编译器使用不同的调用规约。我的 C++ 代码可能包含类似下面的函数原型：

一年级计算机专业的学生会这样告诉你函数参数是下面这样入栈的。换句话说，调用这个3GL函数导致以下汇编伪代码：

这是大多数程序员将参数传递到函数调用中的心理模型。

但是内核开发者并不是大多数程序员。内核开发人员是一种特殊和独特的品种。内核开发人员关注速度和性能。Linux 内核使用 -mregparm = 3 构建，有时称为 fastcall 。这意味着，编译器不会执行耗时的栈操作，而只是将参数放入寄存器。

你看到的问题症结了吧。我的 C++ 代码期望的调用规约是使用栈传递参数，而内核期望我的代码使用寄存器中传递参数。二者的矛盾是无法同时满足的，因此导致诸多未定义的行为。找到问题所在是最困难的部分;修复它只是需要添加编译参数，让编译器使用寄存器传递参数。

包装

到此，嗯？对你有好处。我想我需要回去咨询，重温这个经验。如果你发现自己不得不把 C++ 放在 Linux 内核中，但愿这里的东西可以帮助你，或者帮助你避免一些重大的麻烦。

好消息：Threat Stack 并不是用 Linux 内核模块！我们通过从用户访问的内核 API 来收集实例信息。所以，我们支持我们自己。