Linux：32/64位程序（应用程序、共享库、内核模块）
摘要：
Linux系统区分32/64位，相应地，应用程序、共享库和内核模块也区分32/64位。
本文以Ubuntu系统为例，介绍如何编译和使用32/64位的应用程序、共享库和内核模块。
1. 应用程序
要点：
1. 使用gcc编译器的-m32和-m64选项指定编译成32位或64位应用程序，编译时需要使用32/64位库，因此编译前需要安装对应的库。
2. 在64位系统上，可以执行64位和32位应用程序。在32位系统上，只能执行32位应用程序，不能执行64位应用程序。
1.1 64位系统上编译应用程序
在64位系统上，gcc默认编译成64位程序，但可以编译32位程序，需要安装32位库。
安装32位库 ：sudo apt-get install lib32readline-gplv2-dev
编译32位程序：gcc -m32 t1.c
1.2 32位系统上编译应用程序
在32位系统上，gcc默认编译32位程序，但可以编译64位程序，需要安装64位库。
安装64位库：sudo apt-get install lib64readline-gplv2-dev
编译64位程序：gcc -m64 t1.c
2. 共享库（so）
要点：
1. 可以使用gcc的-m32和-m64选择编译32位或64位共享库（so）。
2. 64位应用程序只能调用64位共享库，32位应用程序只能调用32位共享库。
参考：http://blog.csdn.net/wsl888444/article/details/8289056
2.1 编写共享库
// test.h 共享库接口文件
#ifndef _TEST_H_
#define _TEST_H_
void test( int x );
#endif- 1
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// test.c 共享库实现文件
#include <stdio.h>
void test( int x )
{
printf( "hello, I'm libtest.so %d\n", x );
return;
}- 1
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2.2 编译共享库
gcc test.c -fPIC -shared -o libtest.so [ -m32 | -m64 ]
| 选项 | 说明 |
|---|---|
| -fPIC | 表示编译为位置独立的代码。如果不用此选项，编译后的代码是位置相关的，则动态载入时是通过代码拷贝的方式来满足不同进程的需要，不能达到代码段共享的目的。 |
| -shared | 表示编译成共享库 |
| -m32 或 -m64 | 选择编译32位或64位共享库 |
2.3 使用共享库
2.3.1 编译应用程序时使用共享库
// t1.c 应用程序
#include "test.h"
int main( )
{
test( 99 );
return 0;
}- 1
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编译程序：
gcc t1.c -L . -l test -o t1 [ -m32 | -m64 ]
| 选项 | 说明 |
|---|---|
| -L | 指明共享库所在的目录 |
| -l | 指明共享库的名称，该名称是处在头lib 和后缀.so 中的名称。例如上面共享库libtest.so，则参数为 -l test 。 |
查看应用程序依赖的共享库： ldd t1
查看目标文件中定义的符号： nm t1
执行程序：
- 创建共享库文件的软链接：进入/usr/lib目录，创建到共享库的软链接。
例如共享库是/home/test/libtest.so，则命令是 ln -s /home/test/libtest.so libtest.so - 执行应用程序： ./t1
2.3.2 动态加载方式使用共享库
// t2.c 应用程序
int main( )
{
void *handle = NULL;
void (*test)( int x );
handle = dlopen( "./libtest.so", RTLD_LAZY );
if ( handle == NULL )
{
printf( "dll loading error.\n" );
return 0;
}
test = ( void(*)( int ) )dlsym( handle, "test" );
if ( test == NULL )
{
printf( "%s: dlsym: '%s'\n", "test", dlerror() );
return 0;
}
test( 99 );
return 0;
}- 1
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编译程序：
gcc -ldl test1.c –o test [ -m32 | -m64 ]
| 选项 | 说明 |
|---|---|
| -ldl | 使用共享库相关函数需使用该参数 |
程序说明：
使用C++时，so的头文件中声明前要加 extern “C”，才能正确获取函数地址。否则，在dlsym可能产生错误：找不到函数（undefined symbol）。 test.h 中声明如： extern “C” void test( int x );
2.4 混合使用32/64位应用程序和共享库
问题： 32/64位应用程序是否可以调用64/32位共享库？
回答： 64位应用程序只能调用64位共享库，32位应用程序只能调用32位共享库。
参考：
http://cboard.cprogramming.com/linux-programming/113856-loading-32-bit-library-into-64-bit-linux-program.html
http://stackoverflow.com/questions/10039401/use-32bit-shared-library-from-64bit-application
解决方法：
- 方法一：编译使应用程序和共享库的位数相同
- 方法二：做一个与共享库位数相同的中间程序，用于调用共享库；应用程序与中间程序通信，间接调用共享库。参考我的另一篇文章：《Linux：使用rpcgen实现64位程序调用32位库函数》
3 内核模块（ko）
要点:
1. 编译内核模块时，根据使用的内核头文件，决定生成的是32位或64位内核模块ko。
2. 内核模块ko的运行不仅要求对应的Linux内核位数正确，而且要求Linux内核版本与编译内核模块时使用的内核头文件版本一致。
参考：http://blog.csdn.net/gavin_dinggengjia/article/details/6307080
3.1 什么是内核模块？
内核模块的全称是 Loadable Kernel Module（LKM， 动态可加载内核模块），它是Linux内核向外部提供的一个插口。
内核模块是具有独立功能的程序，通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序，或其它内核上层的功能。
内核模块可以被单独编译，运行时被链接到内核，作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程不同。下表比较了应用程序与内核模块的差别。
| 项目 | C语言应用程序 | 内核模块 |
|---|---|---|
| 使用函数 | libc库 | 内核函数 |
| 运行空间 | 用户空间 | 内核空间 |
| 入口函数 | main() | module_init() |
| 出口函数 | exit() | module_exit() |
| 编译 | gcc -c | Makefile |
| 连接 | gcc | insmod |
| 运行 | 直接运行 | insmod |
| 调试 | gdb | kdbug、kdb、kgdb |
从表中可以看出，内核模块不能调用 libc 库函数，它运行在内核空间，只有超级用户可以对其运行。
另外，内核模块程序必须通过 module_init() 和 module_exit() 函数来告诉内核“我来了”和“我走了”。
3.2 编写一个简单的内核模块
内核模块和内核都在内核空间运行，内核模块编程在一定意义上说就是内核编程。
因为内核版本的每次变化，其中的某些函数名也会相应地发生变化，因此内核模块编程与内核版本密切相关。
1. 内核模块代码
// hello.c 内核模块代码
#include "linux/init.h" // 包含宏_init和_exit
#include "linux/kernel.h" // 包含常用的内核函数
#include "linux/module.h" // 所有模块都要用到
static int __init hello_init( void )
{
printk( KERN_ALERT "Hello world!\n" );
return 0;
}
static void __exit hello_exit( void )
{
printk(KERN_ALERT "Goodbye!\n");
}
module_init( hello_init );
module_exit( hello_exit );
MODULE_LICENSE( "GPL" );
MODULE_AUTHOR( "ddk" );
MODULE_DESCRIPTION( "hello" ); - 1
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| 函数 | 说明 |
|---|---|
| module_init | 内核模块初始化的入口点 |
| module_exit | 注销由内核模块提供的所有功能 |
| hello_init | 内核模块初始化函数 |
| hello_exit | 内核模块的退出清理函数，可做终止该内核模块相关的清理工作。 |
| printk | 内核定义的函数，功能与printf类似，printk把要打印的信息输出到终端或系统日志。 |
2. Makefile
# Makefile
obj-m:=hello.o
KERNELBUILD:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
default:
make -C $(KERNELBUILD) M=$(shell pwd) modules
clean:
rm -rf *.o *.ko *.mod.c .*.cmd *.markers *.order *.symvers .tmp_versions- 1
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| 选项 | 说明 |
|---|---|
| obj-m | 决定过了内核模块的名称和生成的ko文件名 |
| KERNELBUILD | 编译内核模块需要的内核源代码文件目录 |
| M | 内核模块代码目录 |
| make -C …… | 编译内核模块。-C 将工作目录转到KERNELBUILD，调用该目录下的Makefile，并向这个Makefile传递参数M的值是$(shell pwd) modules。 |
关于KERNELBUILD的说明：
（1）如果为Linux发行版（例如Ubuntu、CentOS等）编译内核模块，则可以直接从发行版目录 /usr/src 中获取这个目录，一般是 /usr/src/linux-headers-* 。这个目录区分32位和64位。
（2）如果为Linux标准内核（从 https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 获取）编译内核模块，则需要先编译Linux标准内核，然后使用 /usr/src 中的编译后对应目录。Linux标准内核源代码不区分32位和64位，但编译时区分编译为32位或64位。编译和安装Linux标准内核，请参考：http://blog.csdn.net/ddk3001/article/details/50276347
（3）编译出的内核模块ko是32位或64位由下面决定：1、使用的内核源代码目录是32位或64位；2、编译时make命令中指定 ARCH=i386 或 ARCH=x86_64 。
（4）cat hello.ko可以查看内核模块要在哪个Linux内核版本中运行。
3. 编译和使用内核模块
| 功能 | 命令 | 说明 |
|---|---|---|
| 编译模块 | make | 执行第一个目标default，生成hello.ko，这个就是我们需要的内核模块。 |
| 编译清理 | make clean | 清理编译产生的文件，hello.ko 也会清理掉。 |
| 插入模块 | sudo insmod ./hello.ko | 用dmesg就可以看到产生的内核信息，Hello world! 内核消息也会输出到日志文件/var/log/kern.log中。 |
| 卸载模块 | sudo rmmod hello | 用dmesg可以看到Goodbye! |
3.3 modutils软件包
modutils是管理内核模块的一个软件包，安装后在/sbin目录下就会有insomod、rmmod、lsmod等实用程序。通常在加载Linux内核时，modutils已经被载入。
| 命令 | 说明 |
|---|---|
| insmod | 调用insmod程序把需要插入的模块以目标代码的形式插入到内核中。在插入的时候，insmod自动调用module_init()函数运行。 |
| rmmod | 调用rmmod程序将已经插入内核的模块从内核中移出。rmmod会自动运行module_exit()函数。 |
| lsmod | 调用lsmod程序将显示当前系统中正在使用的模块信息。实际上这个程序的功能就是读取/proc/modules中的信息。 |
| modinfo | 显示一个模块的相关信息。 |
| depmod | 生成可载入模块的依赖性文件，供modprobe在安装模块时使用。 |
| modprobe | modprobe 和 insmod 都是载入内核模块，差别是 modprobe 能够自动处理模块载入的依赖问题。modprobe 使用depmod生成的依赖性文件，从预定义目录树的一套模块中自动载入相关模块。 |