文章作者：Andrew Reiter
信息来源：
http://www.nsfocus.net/index.php ... do=view&mid=678
作者：Andrew Reiter < mailto:
arr@watson.org >
整理：小四 < mailto:
scz@nsfocus.com >
出处：
http://www.watson.org/~arr/
主页：
http://www.nsfocus.com
日期：2000-11-04
目录：
★ 简介
★ 所有KLD的共性
★ KLD系统调用实现框架
★ KLD字符型设备驱动程序实现框架
★ 参考资料
★ 简介
本文的目的在于介绍FreeBSD操作系统下基础的KLD开发设计技术。
FreeBSD 3.1下提供过可加载内核模块技术(LKM)，FreeBSD 4.0下提供的动态内
核链接机制(KLD)，可以简单地理解成LKM的升级。采用KLD，可以增加系统调用、调
试设备驱动程序、提供访问内核数据空间的方便接口。下面我们对比一下LKM和KLD：
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1. LKM采用用户态的链接器重定位二进制数据后再压入内核空间。
KLD机制由内核亲自进行重定位操作
2. LKM采用特殊的数据结构，LKM Driver了解这种数据结构，并通过它与内核交互，
比如VFS LKM采用一个结构，该结构里包含指向VFS TABLES的指针。
LKM的目的单纯明确，很难将LKM代码移植成真正的内核代码。
KLD采用常规代码，一个KLD文件可以不包含任何模块，也可以包含多个模块。每
个模块均包含自初始化代码，并完成自注册。
KLD的代码和内核代码保持一致。很容易从内核中提取部分代码移植成KLD代码。
3. 现在KLD的依赖关系和版本信息从内核里剥离出来，完全位于模块层。
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这份指南直奔两个KLD开发者感兴趣的主题，希望你具有基本的FreeBSD内核知识
以及K & R C编程技能。必须提醒的是，例子代码在FreeBSD 4.0下调试通过。下面我
们将要介绍的主题有三：
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1. 所有KLD的共性
2. KLD系统调用实现框架
3. KLD字符型设备驱动程序实现框架
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本文的目的是帮助那些正在学习KLD编程的朋友快速掌握KLD编程接口，进入更高
层次。
★ 所有KLD的共性
所有的KLD代码都有一个主入口函数和一个宏，并且简单地采用Makefile文件编译。
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1. 主入口函数，或者说加载/卸载句柄
2. DECLARE_MODULE()宏
3. 利用Makefile文件进行编译
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下面是一个典型的主入口函数：
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static int helloworld_load ( module_t mod, int what, void * arg )
{
int err = 0;
switch ( what )
{
case MOD_LOAD:
/*
* uprintf() 是内核空间函数，类似于printf()。当在内核空间使用
* printf()时，输出内容需要用dmesg查看。uprintf()将直接输出到
* 当前正在使用的tty上
*/
printf( "MOD_LOAD: dmesg -c test\n" );
uprintf( "System call loaded at slot: %d\n", syscall_num );
break;
case MOD_UNLOAD:
printf( "MOD_UNLOAD: dmesg -c test\n" );
uprintf( "System call unloaded from slot: %d\n", syscall_num );
break;
case MOD_SHUTDOWN:
uprintf( "System shutdown\n" );
break;
default:
err = EINVAL;
break;
} /* end of switch */
return( err );
} /* end of helloworld_load */
--------------------------------------------------------------------------
该函数类似Linux下的init_module和cleanup_module，注意无论加载/卸载KLD，都要
经过该函数。函数名字自己定义，将来作为函数指针传递给DECLARE_MODULE()宏。当
使用kldload/kldunload加载/卸载KLD的时候，helloworld_load()被调用。
在/usr/include/sys/module.h里定义了一个函数指针类型：
typedef int ( * modeventhand_t ) ( module_t mod, int /*modeventtype_t*/ what, void * arg );
helloworld_load()正是modeventhand_t型常量，从名字看，模块--事件--句柄，有
意思。
typedef struct module * module_t;
module_t mod是指向module结构的指针。module结构按照链表方式组织，可以从结构
中获取指向其它module结构的指针。结构成员还包含诸如KLD ID号之类的有用信息。
int what实际是枚举类型变量，modeventtype_t( enum modeventtype )，目前只有
三个有效值：
MOD_LOAD 执行kldload时被调用
MOD_UNLOAD 执行kldunload时被调用
MOD_SHUTDOWN shutdown时被调用
DECLARE_MODULE()对于KLD很重要，然而通常所见并不是DECLARE_MODULE()，有两个
宏封装了它，使得编程更加方便。/usr/include/sys/module.h里定义了
DECLARE_MODULE 宏：
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#define DECLARE_MODULE(name, data, sub, order) \
SYSINIT(name##module, sub, order, module_register_init, &data) \
struct __hack
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下面我们来看看各个参数的意义：
name 模块名，注意这个不是KLD名，KLD名就是将来Makefile编译产生的静态文件名
模块名将在SYSINIT调用中被使用。下面这个例子清楚表明了KLD名和模块名的
区别。
[root@ /usr/home/scz/src]> kldstat -v -i 4
Id Refs Address Size Name
4 1 0xc0ae2000 2000 flkm_2 <-- 这是KLD名
Contains modules:
Id Name
84 donothing <-- 这是模块名
85 helloworld <-- 这也是模块名
[root@ /usr/home/scz/src]>
data 指向 struct moduledata 的指针。/usr/include/sys/module.h里定义了该结
构：
--------------------------------------------------------------------------
/*
* Struct for registering modules statically via SYSINIT.
*/
typedef struct moduledata
{
char *name; /* module name */
modeventhand_t evhand; /* event handler */
void *priv; /* extra data */
} moduledata_t;
--------------------------------------------------------------------------
name 模块名
evhand 对应上面介绍过的helloworld_load()
sub 该参数的有效取值参看/usr/include/sys/kernel.h文件里定义的
enum sysinit_sub_id {} 枚举列表。我们将要介绍的两种类型的KLD固定采用
SI_SUB_DRIVERS
order 该参数的有效取值参看/usr/include/sys/kernel.h文件里定义的
enum sysinit_elem_order {} 枚举列表。我们将要介绍的两种类型的KLD固定采用
SI_ORDER_MIDDLE
一般并不直接使用DECLARE_MODULE()宏，常见的是SYSCALL_MODULE和DEV_MODULE，它
们分别对DECLARE_MODULE进行了封装，这种封装便于开发KLD代码，也便于理解KLD代
码。
/usr/include/sys/sysent.h里定义了 SYSCALL_MODULE 宏
--------------------------------------------------------------------------
#define SYSCALL_MODULE(name, offset, new_sysent, evh, arg) \
static struct syscall_module_data name##_syscall_mod = { \
evh, arg, offset, new_sysent \
}; \
\
static moduledata_t name##_mod = { \
#name, \
syscall_module_handler, \
&name##_syscall_mod \
}; \
DECLARE_MODULE(name, name##_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_MIDDLE)
--------------------------------------------------------------------------
name 模块名
offset 对应系统调用号。通常利用KLD机制增加系统调用的时候，并没有保留系统调
用号供它使用。正确的做法是指定NO_SYSCALL，此时系统将动态选取一个可
用系统调用号对应我们增加的系统调用
new_sysent
指向struct sysent结构的指针，每个系统调用都对应一个这样的结构，结构
里定义了形参个数和系统调用实现体指针。
evh 对应上面介绍过的helloworld_load()
arg 用于struct syscall_module_data结构，通常该参数设置成NULL
/usr/include/sys/conf.h里定义了 DECLARE_MODULE 宏
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#define DEV_MODULE(name, evh, arg) \
static moduledata_t name##_mod = { \
#name, \
evh, \
arg \
}; \
DECLARE_MODULE(name, name##_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_MIDDLE)
--------------------------------------------------------------------------
name 模块名
evh 类似上面介绍过的helloworld_load()
arg 用于struct module_data结构，通常该值设置成NULL
无论开发什么样的KLD，至少有一个加载/卸载句柄(主入口函数)，至少有一个上
面介绍的宏。在这份编程指南里不讨论更复杂的情形，
http://thc.pimmel.com/files/thc/bsdkern.html讨论了更多的复杂的编程技巧，如
果你对KLD编程想进一步的话，请参看上述链接。
我们不必担心Makefile的复杂性，/usr/share/mk目录下提供了许多普适性很强
的预设置的Makefile，可以简单采用.include <...>命令引用它们。此次感兴趣的是
/usr/share/mk/bsd.kmod.mk文件，建议你先阅读一下该文件。可能需要的设置是
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SRCS = flkm.c
KMOD = flkm
KO = ${KMOD}.ko
.include <bsd.kmod.mk>
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SRCS 源文件名
KMOD KLD名，注意不是模块名
★ KLD系统调用实现框架
下面是一个非常简单的例子，演示如何利用动态内核链接机制增加系统调用。除
了必须有一个加载/卸载句柄和一个DECLARE_MODULE宏(或者针对它的封装)，还有四
点需要注意：
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1. 如果增加的系统调用需要形参，必须采用自定义结构组织这些形参
2. 系统调用实现体必须是static int型的函数
3. 根据系统调用具体实现组织struct sysent结构
4. 设置offset变量为NO_SYSCALL
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所有的系统调用，在内核里的函数实现体只有两个形参：
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1. struct proc *
2. void *
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来自用户空间的形参需要定义到一个自定义结构中，比如：
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/*
* 来自用户空间的syscall()将把函数形参组织到这个结构里，如果对应系统调用并
* 不需要形参，则无须定义这样一个结构，该结构完全为了传递形参
*/
struct helloworld_args
{
char * str;
int val;
};
--------------------------------------------------------------------------
一般libc会将用户空间的形参组织到类似这样的结构中。而我们通过KLD增加的系统
调用没有经过libc的封装处理，所以只能使用syscall(2)直接调用这个新增加的系统
调用，后面会有例子演示。
下面是一个系统调用内核函数实现体：
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/* 这是我们将要增加的系统调用 */
static int helloworld ( struct proc * p, struct helloworld_args * arg )
{
int err = 0; /* Generic return(err) */
int size = 0;
char kernel_str[ 1024 + 1 ]; /* Holds kernel land copy of arg->str */
/*
* _IMPORTANT_:
*
* When one has a contiguous set of data and wish to copy this from
* user land to kernel land (or vice versa) the copy(9) functions
* are recommended for doing this.
*/
/*
* 不知道这里是否和Linux一样，可以直接访问用户空间？看后面代码意思是
* 可以的，只不过不建议直接访问用户空间而已
*
* 刚才自己增加了一点代码验证这个问题，答案是肯定的
* 参看flkm_call.c的演示代码
*
* 注意拷贝方向，源/目的与常见函数不一样
*/
err = copyinstr( arg->str, &kernel_str, 1024, &size );
if ( err == EFAULT )
{
return( err );
}
uprintf( "hello world\n" );
uprintf( "The user string passed was: %s\n", arg->str );
uprintf( "The value passed was: %d\n", arg->val );
uprintf( "The kernel string passed was: %s\n", kernel_str );
return( 0 );
} /* end of helloworld */
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该系统调用取出来自用户空间的形参，一个字符串和一个整型变量，并在当前使用的
tty(发生该系统调用时进程所使用的终端)上显示它们。
接下来需要根据系统调用具体实现组织一个struct sysent结构，该结构在
/usr/include/sys/sysent.h文件里定义：
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struct sysent /* system call table */
{
int sy_narg; /* number of arguments */
sy_call_t * sy_call; /* implementing function */
};
--------------------------------------------------------------------------
每个系统调用对应有一个struct sysent结构，sy_narg定义来自用户空间的形参个数，
显然只有函数指针对于C调用风格是不够的，想想*printf()这种可变参数的函数。
sy_call对应系统调用内核函数实现体。/usr/include/sys/sysent.h文件里定义了：
typedef int sy_call_t __P( ( struct proc *, void * ) );
下面是该结构的例子：
--------------------------------------------------------------------------
/*
* on FreeBSD every system call is described by a sysent structure, which
* holds the corresponding system call function (here helloworld) and the
* appropriate count of arguments (here 2)
*/
static struct sysent helloworld_sysent =
{
2, /* sy_narg */
helloworld /* sy_call */
};
--------------------------------------------------------------------------
现在，如果你还记得前面提到过的，最后应该提供一个offset参数到
SYSCALL_MODULE宏。这个参数对应系统调用号，作为通过KLD动态增加的新系统调用，
应该设置该值成NO_SYSCALL，意味着由系统找出下一个可用系统调用号，当然你可以
明确指定一个系统调用号，不推荐这样做。可以直接传递NO_SYSCALL给宏，然而最好
给一个静态整型变量赋值NO_SYSCALL，传递一个指针给宏，KLD加载成功后系统会将
最终选取的系统调用号回填到这个静态整型变量。顺便提一句，
/usr/include/sys/syscall.h里定义了已经实现的系统调用号列表。于是，我们只需
要这样一行代码：
--------------------------------------------------------------------------
/*
* every system call has a certain number (called slot or syscall_num on BSD).
* This number represents the index in the global sysent list holding every
* syscall. BSD is able to search a free slot for a syscall (by setting it
* to NO_SYSCALL) which is used here.
*/
static int syscall_num = NO_SYSCALL;
--------------------------------------------------------------------------
NO_SYSCALL在/usr/include/sys/sysent.h里定义，值为-1。
我们已经介绍完通过KLD动态增加一个系统调用的必须操作，剩下的就是编写加
载/卸载句柄，并调用SYSCALL_MODULE()宏：
--------------------------------------------------------------------------
/*
* 该函数类似Linux下的init_module和cleanup_module
* 函数名字自己定义，将来作为函数指针传递给SYSCALL_MODULE()宏
*/
static int helloworld_load ( module_t mod, int what, void * arg )
{
int err = 0;
switch ( what )
{
case MOD_LOAD:
/*
* uprintf() 是内核空间函数，类似于printf()。当在内核空间使用
* printf()时，输出内容需要用dmesg查看。uprintf()将直接输出到
* 当前正在使用的tty上
*/
printf( "MOD_LOAD: dmesg -c test\n" );
uprintf( "System call loaded at slot: %d\n", syscall_num );
break;
case MOD_UNLOAD:
printf( "MOD_UNLOAD: dmesg -c test\n" );
uprintf( "System call unloaded from slot: %d\n", syscall_num );
break;
case MOD_SHUTDOWN:
uprintf( "System shutdown\n" );
break;
default:
err = EINVAL;
break;
} /* end of switch */
return( err );
} /* end of helloworld_load */
SYSCALL_MODULE( helloworld, &syscall_num, &helloworld_sysent, helloworld_load, NULL );
--------------------------------------------------------------------------
Makefile文件很简单，如下：
--------------------------------------------------------------------------
SRCS = flkm.c
KMOD = flkm
KO = ${KMOD}.ko
.include <bsd.kmod.mk>
--------------------------------------------------------------------------
make -f flkm.mk后产生flkm文件，可以用file flkm查看文件类型。以root身份执行
kldload -v ./flkm加载该KLD文件。
下面是从用户空间通过syscall(2)调用helloworld系统调用的例子：
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#include <stdio.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/module.h>
int main ( int argc, char * argv[] )
{
int syscall_num;
struct module_stat stat;
char hello[] = "I'll be back.";
stat.version = sizeof( stat );
/*
modstat will retrieve the module_stat structure for our module named
helloworld (see the SYSCALL_MODULE macro which sets the name to syscall)
*/
modstat( modfind( "helloworld" ), &stat );
/* extract the slot (syscall) number */
syscall_num = stat.data.intval;
/* 必须在调用前加载内核模块，否则core dump，程序没有做边界检查 */
return( syscall( syscall_num, hello, 1977 ) );
} /* end of main */
--------------------------------------------------------------------------
★ KLD字符型设备驱动程序实现框架
绝大多数Unix系统支持字符型设备驱动程序，它们通常不对应真实物理设备，仅
仅提供一种对伪设备的读/写/IO控制接口。类似前面介绍增加系统调用，下面将逐步
介绍如何编写KLD模式的字符设备驱动程序，幸运的是，你会发现创建一个非常有用
的字符型设备驱动程序并不困难。
下面4点对于所有字符型设备驱动程序实现都是必要的：
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1. 定义一个struct cdevsw结构
2. 设备回调函数
3. 加载/卸载句柄
4. DEV_MODULE()宏
--------------------------------------------------------------------------
/usr/include/sys/conf.h里定义了 struct cdevsw 结构
--------------------------------------------------------------------------
/*
* Character device switch table
*/
struct cdevsw
{
d_open_t *d_open; /* Func. pointer to dev open function */
d_close_t *d_close; /* Func. pointer to dev close function */
d_read_t *d_read; /* Func. pointer to dev read function */
d_write_t *d_write; /* Func. pointer to dev write function */
d_ioctl_t *d_ioctl; /* Func. pointer to dev ioctl function */
d_poll_t *d_poll; /* Func. pointer to dev poll function */
d_mmap_t *d_mmap; /* Func. pointer to dev mmap function */
d_strategy_t *d_strategy; /* Func. pointer to dev strategy func. */
const char *d_name; /* base device name, e.g. 'vn' */
int d_maj; /* Device major value */
d_dump_t *d_dump; /* Func. pointer to dev dump function */
d_psize_t *d_psize; /* Func. pointer to dev psize function */
u_int d_flags; /* D_TAPE, D_DISK, D_TTY, D_MEM */
int d_bmaj; /* Block Device major value (used by D_DISK) */
};
--------------------------------------------------------------------------
显然该结构类似Linux下的struct file_operations结构，定义了设备相关的回调函
数。并不需要提供所有的回调函数，如果你想提供一个只写设备，不但/dev/目录下
的设备文件权限设置成只写，更重要的是struct cdevsw结构中d_read成员赋值
noread。为了简化讨论，在我们的例子中，只提供了d_open、d_close、d_read和
d_write四个回调函数，我们的struct cdevsw结构如下：
--------------------------------------------------------------------------
static struct cdevsw chardev_cdevsw =
{
chardev_open,
chardev_close,
chardev_read,
chardev_write,
noioctl,
nopoll,
nommap,
nostrategy,
"chardev", /* 这里和/dev/下的名字不必一致 */
38, /* /usr/src/sys/conf/majors 主设备号是重要标识 */
nodump,
nopsize,
D_TTY, /* D_TAPE, D_DISK, D_TTY, D_MEM */
-1 /* Block Device major value (used by D_DISK) */
};
--------------------------------------------------------------------------
/usr/share/examples/kld/cdev/目录下提供了其他一些字符型设备驱动程序例子。
注意我们的例子采用38作为主设备号，/usr/src/sys/conf/majors文件里对此定义如
下：
38 lkm ssigned to Loadable Kernel Modules
假设将来来自应用层的调用步骤如下：
open(2) -> write(2) -> read(2) -> close(2)
首先打开/dev/目录下的设备文件，然后写一个字符串到该设备，携入的字符串被保
存在驱动程序静态缓冲区中，稍后应用程序会读取这个字符串，最后关闭前面所打开
的设备文件。
--------------------------------------------------------------------------
/*******************************************************************
* *
* Function Prototype *
* *
*******************************************************************/
static int chardev_close ( dev_t dev, int cflag, int devtype, struct proc * p );
static int chardev_open ( dev_t dev, int oflags, int devtype, struct proc * p );
static int chardev_read ( dev_t dev, struct uio * uio, int ioflag );
static int chardev_write ( dev_t dev, struct uio * uio, int ioflag );
/*******************************************************************
* *
* Static Global Var *
* *
*******************************************************************/
/*
* Used as the variable that is the reference to our device
* in devfs... we must keep this variable sane until we
* call kldunload.
*/
static dev_t chardev;
static char chardev_buf[ 512 + 1 ]; /* 设备驱动程序维护的内部缓冲区 */
static int chardev_buflen;
/*----------------------------------------------------------------------*/
/*
* Simply "closes" our device that was opened with chardev_open.
*/
static int chardev_close ( dev_t dev, int cflag, int devtype, struct proc * p )
{
memset( chardev_buf, 0, 513 );
chardev_buflen = 0;
uprintf( "Closing device \"chardev\"\n" );
return( 0 );
} /* end of chardev_close */
/*
* This open function soley checks for open(2) flags. We are only
* allowing for the flags to be O_RDWR for the purpose of showing
* how one could only allow a read-only device, for example.
*/
static int chardev_open ( dev_t dev, int oflags, int devtype, struct proc * p )
{
memset( chardev_buf, 0, 513 );
chardev_buflen = 0;
uprintf( "Opened device \"chardev\" successfully\n" );
return( 0 );
} /* end of chardev_open */
/*
* The read function just takes the buf that was saved
* via chardev_write() and returns it to userland for
* accessing.
*/
static int chardev_read ( dev_t dev, struct uio * uio, int ioflag )
{
int err = 0;
if ( chardev_buflen <= 0 )
{
err = -1;
}
else
{
/* 对象是以NULL结尾的串，长度包括结尾的NULL */
/* copy buf to userland */
err = copystr( chardev_buf, uio->uio_iov->iov_base, 513, &chardev_buflen );
}
return( err );
} /* end of chardev_read */
/*
* chardev_write takes in a character string and saves it
* to buf for later accessing.
*/
static int chardev_write ( dev_t dev, struct uio * uio, int ioflag )
{
int err = 0;
/* 对象是以NULL结尾的串，长度包括结尾的NULL */
err = copyinstr( uio->uio_iov->iov_base, chardev_buf, 513, &chardev_buflen );
if ( err != 0 )
{
uprintf( "Write to \"chardev\" failed\n" );
}
return( err );
} /* end of chardev_write */
--------------------------------------------------------------------------
现在你该相信我了吧，实现一个简单的字符型设备驱动程序相当容易。通过这种
技术向内核空间传递数据，对比sysctl能够实现的功能。man 3 sysctl，
man 8 sysctl看看。
下面是这个字符型设备驱动程序的加载/卸载句柄。对于设备驱动程序，在
MOD_LOAD流程那里，必须调用make_dev()向设备文件系统(devfs)中注册我们的设备。
devfs是设备文件系统，提供访问FreeBSD内核中设备名字空间的能力。在
MOD_UNLOAD流程那里，必须调用destroy_dev()，形参来自make_dev()的返回值
(dev_t型)。
--------------------------------------------------------------------------
/*
* 该函数类似Linux下的init_module和cleanup_module
* 函数名字自己定义，将来作为函数指针传递给DEV_MODULE()宏
*/
static int chardev_load ( module_t mod, int what, void * arg )
{
int err = 0;
switch ( what )
{
case MOD_LOAD:
chardev = make_dev( &chardev_cdevsw,
0,
UID_ROOT,
GID_WHEEL,
0600,
"chardev" );
uprintf( "chardev loaded\n" );
break;
case MOD_UNLOAD:
destroy_dev( chardev );
uprintf( "chardev unloaded\n" );
break;
case MOD_SHUTDOWN:
uprintf( "System shutdown\n" );
break;
default:
err = EINVAL;
break;
} /* end of switch */
return( err );
} /* end of chardev_load */
DEV_MODULE( chardev, chardev_load, NULL );
--------------------------------------------------------------------------
无论什么类型的KLD，必须有一个*_MODULE宏，至少指明本模块加载/卸载句柄以及何
种类型。如上最后一行代码所示。
至此一个非常简单的字符型设备驱动程序框架完成了。编写类似前面的Makefile，
编译产生KLD静态文件，并在/dev/目录下创建设备文件：
[root@ /usr/home/scz/src]> mknod /dev/chardev c 38 0
[root@ /usr/home/scz/src]> ls -l /dev/chardev
crw-r--r-- 1 root wheel 38, 0 Oct 28 04:56 /dev/chardev
[root@ /usr/home/scz/src]>
这个KLD被加载后，open()、close()、read()和write()系统调用都可以用于
/dev/chardev设备文件。记得在KLD被卸载出内核前调用close()关闭该设备，否则，
嘿嘿，你死定了。
正如简介里所言，本文讲述的是KLD编写基础知识，相当简短。再深入的技巧请
翻阅THC的技术资料。
★ 参考资料
1) man 4 kld
关于KLD的man手册
2)
http://thc.pimmel.com/files/thc/bsdkern.html
THC编写的利用LKM/KLD攻击FreeBSD的经典文献
3) /usr/share/mk/*
缺省Makefile
4)
http://subterrain.net/~awr/KLD-Tutorial/code/kld-examples.tar.gz
文中所附例子代码
5) /usr/share/examples/kld/cdev/
系统自带的其他字符型设备驱动程序例子
<完>
