内存幻象器 (RAM Disk Lite)

项目简介

内存幻象器（RAM Disk Lite）是一个简单的Linux内核驱动项目，它在内核空间分配一页内存（通常为4KB），并通过文件操作接口（如read和write）让用户空间程序能够访问和修改这块内存。本项目是理解内核内存管理和字符设备驱动的绝佳起点。

核心概念

• 内核内存分配：使用 kmalloc 或 get_free_page 分配内存。
• 字符设备驱动：实现 file_operations 结构体中的 read、write 等方法。
• 设备文件：通过 /dev/ 目录下的文件与驱动交互。
• 用户空间与内核空间：通过 copy_to_user 和 copy_from_user 交换数据。

实现步骤

1. 分配一页内核内存（4KB）。
2. 注册字符设备，并实现 file_operations 方法。
3. 实现 read 方法：将内核内存中的数据复制到用户空间。
4. 实现 write 方法：将用户空间的数据复制到内核内存。
5. 创建设备文件，测试读写操作。

代码示例

初始化模块和内存分配

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

#define DEVICE_NAME "ramdisk_lite"
#define PAGE_SIZE 4096

static char *ramdisk_buffer;
static int major_number;

static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    return 0;
}

static int device_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    return 0;
}

static ssize_t device_read(struct file *filp, char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset) {
    if (*offset >= PAGE_SIZE) return 0;
    if (*offset + length > PAGE_SIZE) length = PAGE_SIZE - *offset;
    if (copy_to_user(buffer, ramdisk_buffer + *offset, length)) return -EFAULT;
    *offset += length;
    return length;
}

static ssize_t device_write(struct file *filp, const char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset) {
    if (*offset >= PAGE_SIZE) return 0;
    if (*offset + length > PAGE_SIZE) length = PAGE_SIZE - *offset;
    if (copy_from_user(ramdisk_buffer + *offset, buffer, length)) return -EFAULT;
    *offset += length;
    return length;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = device_open,
    .release = device_release,
    .read = device_read,
    .write = device_write,
};

static int __init ramdisk_init(void) {
    ramdisk_buffer = (char *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
    if (!ramdisk_buffer) return -ENOMEM;
    major_number = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    if (major_number < 0) {
        free_page((unsigned long)ramdisk_buffer);
        return major_number;
    }
    printk(KERN_INFO "RAM Disk Lite: major number %d\n", major_number);
    return 0;
}

static void __exit ramdisk_exit(void) {
    unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
    free_page((unsigned long)ramdisk_buffer);
    printk(KERN_INFO "RAM Disk Lite: module unloaded\n");
}

module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple RAM disk driver");

软件架构

关键函数说明

函数	描述
get_zeroed_page	分配一页内存并初始化为零。
register_chrdev	注册字符设备，获取主设备号。
copy_to_user	将数据从内核空间复制到用户空间。
copy_from_user	将数据从用户空间复制到内核空间。
unregister_chrdev	注销字符设备。
free_page	释放分配的内存页。

测试方法

1. 编译并加载内核模块：insmod ramdisk_lite.ko
2. 查看系统日志获取主设备号：dmesg | grep "RAM Disk Lite"
3. 创建设备文件：mknod /dev/ramdisk c <major> 0
4. 使用 echo 和 cat 测试读写：

   echo "Hello, RAM Disk!" > /dev/ramdisk
   cat /dev/ramdisk