Rust-for-Linux内核开发指南：Linux内核黑客不可靠指南解析
前言
本文基于Rust-for-Linux项目中的内核开发文档，旨在为有经验的C程序员提供Linux内核开发的入门指南。我们将深入探讨内核编程的核心概念、最佳实践和常见陷阱，特别关注Rust语言在内核开发中的应用场景。
内核执行上下文
理解Linux内核的执行上下文是开发内核代码的基础。在任何时刻，系统中的每个CPU都处于以下四种状态之一：
- 硬件中断上下文：处理硬件中断，不关联任何进程
- 软中断/任务上下文：处理软中断或tasklet
- 内核空间用户上下文：在内核空间运行，关联某个进程
- 用户空间上下文：运行用户空间进程
这些上下文之间存在严格的优先级关系，高优先级上下文可以抢占低优先级的执行。
用户上下文特点
当从系统调用或其他陷阱进入内核时，就处于用户上下文。在此上下文中：
- 可以被更高优先级的任务和中断抢占
- 可以调用
schedule()主动睡眠 current指针有效，指向当前执行的任务in_interrupt()返回false
硬件中断上下文特点
硬件中断处理程序必须非常快速，通常会：
- 快速确认中断
- 标记一个软中断进行后续处理
- 立即退出
在此上下文中：
in_hardirq()返回true- 不能睡眠或调用可能睡眠的函数
软中断和Tasklet上下文
软中断和tasklet是处理大部分实际中断工作的地方：
- 软中断可以同时在多个CPU上运行
- tasklet保证同一时间只在一个CPU上运行
in_softirq()可用于检测是否处于此上下文
内核编程基本原则
- 无内存保护：任何内存错误都可能导致系统崩溃
- 禁用浮点运算：FPU状态不会自动保存
- 严格的栈限制：内核栈大小有限（32位约3-6K，64位约14K）
- 可移植性：代码应保持64位兼容和字节序无关
系统调用与IOCTL
在大多数情况下，不应创建新的系统调用，而应该：
- 创建字符设备
- 实现适当的ioctl操作
- 考虑使用sysfs接口替代简单的参数读写
在ioctl中处理错误时应返回负的错误码，成功时返回0。处理长时间操作时，应定期检查信号并可能返回-ERESTARTSYS。
常见死锁场景
在以下情况下不能调用可能睡眠的函数：
- 持有自旋锁时
- 中断被禁用时
- 不在用户上下文中
特别注意：某些函数（如内存分配函数）可能会隐式睡眠。
核心内核API详解
打印输出
printk()是内核中的打印函数，特点包括：
- 可用于中断上下文
- 使用KERN_*级别指定日志级别
- 内部使用1K缓冲区，不检查溢出
- 特殊格式如
%pI4用于打印IP地址
用户空间内存访问
copy_to_user()/copy_from_user()系列函数用于安全地与用户空间交换数据：
- 可能睡眠，只能在用户上下文调用
- 返回未拷贝的字节数（0表示成功）
get_user()/put_user()用于简单类型的传输
内存分配
kmalloc()/kfree()是内核中的动态内存分配接口：
GFP_KERNEL：可能睡眠，只能在用户上下文使用GFP_ATOMIC：不会睡眠，可用于中断上下文GFP_DMA：用于DMA内存分配
对于大内存分配，考虑使用vmalloc()或启动时通过alloc_bootmem()分配。
延时函数
udelay()/ndelay()用于短延时，mdelay()/msleep()用于较长延时。注意不要在小延时函数中使用过大值以避免溢出。
字节序转换
cpu_to_be32()等函数提供完整的字节序转换支持，包含指针版本(p后缀)和原地转换版本(s后缀)。
中断控制
local_irq_save()/local_irq_restore()用于禁用/恢复硬件中断，local_bh_disable()/local_bh_enable()用于控制软中断。
CPU相关操作
get_cpu()禁用抢占并返回当前CPU ID，put_cpu()恢复抢占。在已知不会被抢占的上下文中可使用smp_processor_id()。
初始化与退出处理
__init/__exit标记的函数和数据会在初始化完成后被释放。module_init()/module_exit()宏帮助编写可同时作为模块或内置内核的代码。
Rust在内核开发中的特殊考量
虽然本文主要基于C内核开发，但在Rust-for-Linux项目中，这些概念同样适用，但需要注意：
- Rust的所有权模型可以帮助避免许多内存安全问题
- Rust的并发原语可以与内核的同步机制结合
- unsafe代码块用于需要直接与C内核交互的部分
- 生命周期标注需要特别注意与内核对象生命周期的匹配
总结
Linux内核开发需要开发者对系统底层有深入理解，并严格遵守内核编程规范。Rust语言的内存安全特性为内核开发提供了新的可能性，但仍需建立在扎实的内核知识基础上。掌握这些核心概念和API是成为合格内核开发者的第一步。
