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Day 2

デジタル創作サークルUniProject Advent Calendar 2025

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@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

【FreeBSD】カーネルモジュールを作って動的ロードしてみる【カーネル開発Part2】

Posted at

FreeBSDカーネル開発シリーズ

Part1 ビルド Part2 モジュール Part3 ドライバ Part4 システムコール Part5 DTrace
✅ Done 👈 Now - - -

はじめに

前回はカーネル全体をビルドした。

でも毎回カーネルを再ビルドするのは面倒だよね。

カーネルモジュール（KLD: Kernel Loadable Modules）を使えば、カーネルの再起動なしに機能を追加・削除できる。

今回はHello Worldから実用的なモジュールまで作ってみる。

カーネルモジュールとは

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    FreeBSD カーネル                          │
│                                                              │
│  ┌─────────────┐  動的に                                    │
│  │   静的に    │  ロード ┌─────────┐ ┌─────────┐           │
│  │ リンクされた │ ←────── │ hello.ko│ │ myfs.ko │           │
│  │   コード    │          └─────────┘ └─────────┘           │
│  └─────────────┘                                            │
│                                                              │
│  kldload hello.ko  ← ロード                                 │
│  kldunload hello   ← アンロード                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

メリット：

  • カーネル再ビルド不要
  • 再起動不要
  • 開発が速い
  • 不要な機能は外せる

最小のHello Worldモジュール

ディレクトリ作成

mkdir -p ~/kmod/hello
cd ~/kmod/hello

ソースコード

vi hello.c

#include <sys/param.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/kernel.h>
#include <sys/systm.h>

static int
hello_modevent(module_t mod, int event, void *arg)
{
    switch (event) {
    case MOD_LOAD:
        printf("Hello, FreeBSD kernel!\n");
        break;
    case MOD_UNLOAD:
        printf("Goodbye, FreeBSD kernel!\n");
        break;
    default:
        return (EOPNOTSUPP);
    }
    return (0);
}

static moduledata_t hello_mod = {
    "hello",           /* モジュール名 */
    hello_modevent,    /* イベントハンドラ */
    NULL               /* プライベートデータ */
};

DECLARE_MODULE(hello, hello_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_MIDDLE);

Makefile

vi Makefile

KMOD=   hello
SRCS=   hello.c

.include <bsd.kmod.mk>

たった2行のMakefile！FreeBSDのビルドシステムが全部やってくれる。

ビルド

make

Warning: Object directory not changed from original /root/kmod/hello
cc -O2 -pipe -fno-strict-aliasing -std=iso9899:1999 -Werror -D_KERNEL -DKLD_MODULE ...
ld -m elf_x86_64_fbsd -d -warn-common -r -o hello.ko hello.o
objcopy --strip-debug hello.ko

hello.koができた！

ロード

kldload ./hello.ko

dmesgで確認：

dmesg | tail -1
# Hello, FreeBSD kernel!

確認

kldstat
#  Id Refs Address                Size Name
#   1   37 0xffffffff80200000  1e6f3a8 kernel
#   2    1 0xffffffff82300000     2000 hello.ko

アンロード

kldunload hello

dmesg | tail -1
# Goodbye, FreeBSD kernel!

sysctlで値を公開するモジュール

カーネルの情報をsysctlで見られるようにしてみよう。

mkdir -p ~/kmod/sysctl_example
cd ~/kmod/sysctl_example
vi sysctl_example.c

#include <sys/param.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/kernel.h>
#include <sys/systm.h>
#include <sys/sysctl.h>

/* カウンター変数 */
static int counter = 0;

/* 読み取り専用の値 */
static int readonly_value = 42;

/* 文字列 */
static char message[64] = "Hello from kernel";

/* sysctl OIDを作成 */
SYSCTL_DECL(_kern);

/* _kern.mymodule ノードを作成 */
SYSCTL_NODE(_kern, OID_AUTO, mymodule, CTLFLAG_RW, 0, "My Module");

/* _kern.mymodule.counter (読み書き可能なint) */
SYSCTL_INT(_kern_mymodule, OID_AUTO, counter, CTLFLAG_RW,
    &counter, 0, "A simple counter");

/* _kern.mymodule.readonly (読み取り専用のint) */
SYSCTL_INT(_kern_mymodule, OID_AUTO, readonly, CTLFLAG_RD,
    &readonly_value, 0, "A readonly value");

/* _kern.mymodule.message (読み書き可能な文字列) */
SYSCTL_STRING(_kern_mymodule, OID_AUTO, message, CTLFLAG_RW,
    message, sizeof(message), "A message string");

static int
sysctl_example_modevent(module_t mod, int event, void *arg)
{
    switch (event) {
    case MOD_LOAD:
        printf("sysctl_example loaded\n");
        printf("Try: sysctl kern.mymodule\n");
        break;
    case MOD_UNLOAD:
        printf("sysctl_example unloaded\n");
        break;
    default:
        return (EOPNOTSUPP);
    }
    return (0);
}

static moduledata_t sysctl_example_mod = {
    "sysctl_example",
    sysctl_example_modevent,
    NULL
};

DECLARE_MODULE(sysctl_example, sysctl_example_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_MIDDLE);

vi Makefile

KMOD=   sysctl_example
SRCS=   sysctl_example.c

.include <bsd.kmod.mk>

make
kldload ./sysctl_example.ko

動作確認

# 全変数を表示
sysctl kern.mymodule
# kern.mymodule.counter: 0
# kern.mymodule.readonly: 42
# kern.mymodule.message: Hello from kernel

# カウンターを変更
sysctl kern.mymodule.counter=100
# kern.mymodule.counter: 0 -> 100

# 読み取り専用は変更できない
sysctl kern.mymodule.readonly=999
# sysctl: kern.mymodule.readonly: Operation not permitted

# 文字列を変更
sysctl kern.mymodule.message="New message"
# kern.mymodule.message: Hello from kernel -> New message

文字デバイスを作るモジュール

/dev/mydeviceを作ってみよう。

mkdir -p ~/kmod/chardev
cd ~/kmod/chardev
vi chardev.c

#include <sys/param.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/kernel.h>
#include <sys/systm.h>
#include <sys/conf.h>
#include <sys/uio.h>
#include <sys/malloc.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

static struct cdev *mydev;
static char buffer[BUFFER_SIZE];
static size_t buffer_len = 0;

MALLOC_DECLARE(M_CHARDEV);
MALLOC_DEFINE(M_CHARDEV, "chardev", "chardev buffer");

/* open */
static int
chardev_open(struct cdev *dev, int oflags, int devtype, struct thread *td)
{
    printf("chardev: opened\n");
    return (0);
}

/* close */
static int
chardev_close(struct cdev *dev, int fflag, int devtype, struct thread *td)
{
    printf("chardev: closed\n");
    return (0);
}

/* read */
static int
chardev_read(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
    size_t len;
    int error;

    len = MIN(uio->uio_resid, buffer_len - uio->uio_offset);
    if (len <= 0)
        return (0);

    error = uiomove(buffer + uio->uio_offset, len, uio);
    return (error);
}

/* write */
static int
chardev_write(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
    size_t len;
    int error;

    len = MIN(uio->uio_resid, BUFFER_SIZE - 1);
    if (len <= 0)
        return (ENOSPC);

    error = uiomove(buffer, len, uio);
    if (error == 0) {
        buffer[len] = '\0';
        buffer_len = len;
        printf("chardev: wrote %zu bytes\n", len);
    }
    return (error);
}

static struct cdevsw chardev_cdevsw = {
    .d_version = D_VERSION,
    .d_open    = chardev_open,
    .d_close   = chardev_close,
    .d_read    = chardev_read,
    .d_write   = chardev_write,
    .d_name    = "chardev"
};

static int
chardev_modevent(module_t mod, int event, void *arg)
{
    switch (event) {
    case MOD_LOAD:
        mydev = make_dev(&chardev_cdevsw, 0, UID_ROOT, GID_WHEEL,
                         0600, "mydevice");
        printf("chardev: /dev/mydevice created\n");
        break;
    case MOD_UNLOAD:
        destroy_dev(mydev);
        printf("chardev: /dev/mydevice destroyed\n");
        break;
    default:
        return (EOPNOTSUPP);
    }
    return (0);
}

static moduledata_t chardev_mod = {
    "chardev",
    chardev_modevent,
    NULL
};

DECLARE_MODULE(chardev, chardev_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_MIDDLE);

vi Makefile

KMOD=   chardev
SRCS=   chardev.c

.include <bsd.kmod.mk>

make
kldload ./chardev.ko

動作確認

# デバイスが作成された
ls -la /dev/mydevice
# crw-------  1 root  wheel  0x5c Jan  1 12:00 /dev/mydevice

# 書き込み
echo "Hello, device!" > /dev/mydevice
# chardev: opened
# chardev: wrote 15 bytes
# chardev: closed

# 読み込み
cat /dev/mydevice
# chardev: opened
# Hello, device!
# chardev: closed

自動ロードの設定

/boot/loader.conf

echo 'hello_load="YES"' >> /boot/loader.conf

/etc/rc.conf

sysrc kld_list+="hello"

インストール

# /boot/kernel/ にインストール
make install

既存モジュールの例を見る

# 実際のモジュールソースを見る
ls /usr/src/sys/modules/
# aac/  ath/  bpf/  em/  if_bridge/  null/  zfs/  ...

# シンプルな例
less /usr/src/sys/modules/null/null.c

デバッグ方法

printfデバッグ

printf("mymodule: value=%d\n", value);
uprintf("Message to user terminal\n");  // ユーザー端末に表示

log()

#include <sys/syslog.h>

log(LOG_INFO, "mymodule: info message\n");
log(LOG_WARNING, "mymodule: warning!\n");
log(LOG_ERR, "mymodule: error!\n");

/var/log/messagesに出力される。

WITNESS（ロック解析）

# カーネル設定に追加
options         WITNESS
options         WITNESS_SKIPSPIN

デッドロックを検出してくれる。

まとめ

FreeBSDカーネルモジュール開発：

  1. Makefileが超シンプル（2行）
  2. kldload/kldunloadで動的にロード/アンロード
  3. sysctlで値を公開できる
  4. /dev/*デバイスを作れる
  5. printfでカジュアルにデバッグ

Linuxのカーネルモジュール開発より楽だと思う。ビルドシステムが優秀。

次回予告

Part3: デバイスドライバを書いてハードウェアを制御する

今回は仮想的なデバイスを作ったけど、次回は実際のハードウェアを制御するデバイスドライバを書く。PCI/USB/I2Cデバイスの扱い方を解説するよ。

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