Linux 内核的版本控制

Linux 内核的版本控制以及确保模块兼容性是开发和维护 Linux 系统时非常重要的一部分。
Linux 内核采用了语义版本控制（Semantic Versioning），通常由三个部分组成：
主版本号（major）、次版本号（minor）和补丁版本号（patch），形式为 X.Y.Z。

1. 版本控制原则

• 主版本号 (X): 当发生重大变化或不向后兼容的修改时，主版本号会增加。自 Linux 2.6 起，主版本号一直保持为 2，直到 3.0 才更新。现在最新的主版本号是 6。
• 次版本号 (Y): 每次增加新功能但保持向后兼容时，次版本号增加。
• 补丁版本号 (Z): 进行错误修复、性能优化等小型改动时，补丁版本号增加。

例如，Linux 5.10.12 表示：

• 5：主版本号
• 10：次版本号
• 12：补丁版本号

2. 不同内核版本的变化

不同内核版本之间可能包括以下几类变化：

• 新功能引入：添加新的内核功能或子系统，例如新的文件系统、网络协议支持、硬件支持等。
• 性能优化：在不同版本中，内核可能会优化某些子系统的性能，例如调度器、内存管理、I/O 性能优化等。
• API 和 ABI 改变：内核的应用程序编程接口 (API) 和应用程序二进制接口 (ABI) 可能在新版本中发生变化，特别是主版本号变更时。这会导致编写的模块可能在新版本上不兼容。

3. 确保内核模块的兼容性

确保模块在不同内核版本间的兼容性是开发内核模块时的核心工作，以下是一些常用的策略：

1. 使用内核版本号检查

内核头文件中提供了 LINUX_VERSION_CODE 和 KERNEL_VERSION() 宏，这些宏可以帮助检查当前运行的内核版本号，从而在代码中做出针对不同版本的差异化处理：

#include <linux/version.h>

#if LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(5,10,0)
// 针对 Linux 5.10 或以上版本的代码
#else
// 针对更低版本的代码
#endif

2. 尽量使用稳定的 API

尽量使用内核提供的公共 API 和函数，而不是直接访问内核内部数据结构。Linux 内核开发者会尽量保持这些公共 API 的稳定性，这样模块在不同内核版本之间的兼容性更好。

3. 使用模块兼容层

有时不同内核版本之间 API 的变化会影响模块的编写，可以使用一种“兼容层”（compatibility layer）方法，将不同版本的 API 调用封装起来，根据内核版本动态调用对应的接口。

4. 为多个内核版本进行编译测试

如果你需要支持多个内核版本，最好针对不同版本的内核进行编译测试。这样可以确保模块在不同内核版本上能够正确编译并运行。

5. 使用 DKMS

DKMS (Dynamic Kernel Module Support) 是一种机制，能够帮助动态地构建和安装内核模块。使用 DKMS 可以在内核升级后自动重建模块，确保模块始终与当前内核兼容。
DKMS (Dynamic Kernel Module Support) 是一套用于自动构建和管理 Linux 内核模块的系统。它允许在内核升级时动态重建模块，使其能够在新内核中继续正常工作。这在内核更新频繁的情况下尤为有用，尤其是对于那些依赖特定模块的系统来说，例如显卡驱动、虚拟化工具等。

1. DKMS 的作用

• 自动重建内核模块：当系统升级内核时，内核模块通常需要重新编译以适配新内核。DKMS 会在内核升级时自动重建这些模块，省去了手动重编译的麻烦。
• 版本控制：DKMS 支持多个内核版本，允许用户在系统上保留多个模块版本，适配不同的内核。
• 动态加载/卸载模块：DKMS 支持在不同内核版本间动态加载或卸载模块，确保模块与内核的兼容性。

2. DKMS 的工作原理

DKMS 的工作过程一般如下：

1. 当你安装一个支持 DKMS 的内核模块时，系统会将模块的源代码放置在 /usr/src 目录下，并生成一个 DKMS 配置文件。
2. 内核升级或模块更新时，DKMS 会自动重新编译并安装模块，以确保新内核中能加载该模块。
3. 使用 dkms install 可以手动安装模块，使用 dkms remove 可以卸载模块。

3. DKMS 配置文件

每个支持 DKMS 的模块会在其源码目录中包含一个配置文件，通常命名为 dkms.conf。该文件定义了模块的相关信息，如模块名、版本号、编译步骤等。

下面是一个示例 dkms.conf 文件的内容：

PACKAGE_NAME="my_module"
PACKAGE_VERSION="1.0"
CLEAN="make clean"
MAKE="make"
BUILT_MODULE_NAME[0]="my_module"
DEST_MODULE_LOCATION[0]="/extra/my_module"
AUTOINSTALL="yes"

• PACKAGE_NAME 和 PACKAGE_VERSION 定义了模块的名称和版本。
• MAKE 和 CLEAN 定义了编译和清理模块的命令。
• BUILT_MODULE_NAME 是生成的模块文件名。
• DEST_MODULE_LOCATION 指定模块安装的位置。
• AUTOINSTALL 如果设置为 yes，则内核更新时会自动安装该模块。

4. DKMS 的常用命令

使用 DKMS 时，可以通过以下一些命令来管理模块：

1. 安装模块：

   sudo dkms install my_module/1.0
   

   这会安装 my_module 版本 1.0，并将其编译和安装到当前内核。

2. 删除模块：

   sudo dkms remove my_module/1.0 --all
   

   删除所有内核中与 my_module 相关的模块。

3. 列出已安装的模块：

   dkms status
   

   这会列出所有已安装的 DKMS 模块及其版本信息。

4. 构建模块：

   sudo dkms build my_module/1.0
   

   仅构建模块而不安装。

5. 检查模块兼容性：

   sudo dkms autoinstall
   

   这会在内核升级后自动检查并重新安装所有 DKMS 管理的模块。

5. DKMS 的优势

• 内核更新后的自动处理：通过 DKMS，模块可以在内核更新后自动重建和安装，避免了用户手动编译的麻烦。
• 模块的跨内核兼容性：DKMS 能够管理多个不同内核版本下的模块，允许用户在系统上同时运行多个内核版本。
• 社区支持：许多第三方驱动程序（如 Nvidia、VirtualBox 等）都通过 DKMS 提供支持，用户可以更加方便地管理这些模块。

6. 实际使用中的注意事项

• 源码依赖：DKMS 依赖模块的源代码，因此需要确保系统中安装了必要的构建工具和头文件（如 linux-headers）。
• 编译失败处理：如果在编译过程中出现错误，可以使用 dkms build 来手动重建模块并排查问题。
• 内核模块的合法性：确保你安装的模块是与当前内核版本兼容的，并且源码的授权和使用符合相关法律法规。

6. 内核 ABI 兼容性检查

为了保持用户空间程序与内核的兼容性，内核提供了用户空间可用的 ABI（应用程序二进制接口）。在主版本号和次版本号变更时，ABI 可能会发生改变，因此需要确保用户空间应用依赖的内核 ABI 是稳定的。

4. 实践中的挑战

在实际开发中，内核 API 的变化和不兼容可能会引入许多挑战，特别是对于长期支持 (LTS) 内核和新发布的内核版本。因此，模块开发者应尽量关注内核的变更日志和内核邮件列表，以了解即将到来的变更并为其模块做好准备。