老谭笔记

初探Mac OSX内核开发(二)——创建驱动程序

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接上文，我们已经通过Xcode自带的模板完成了简单的内核创建到部署的过程，然后我们准备来尝试创建一个驱动程序然后完成布署，上文上已经提到了内核扩展与驱动的差别在于加载的时机不一样，另外他们还有一个很明显的差别，内核扩展是用C来实现的，而Mac的驱动却是用C++去完成的，Mac OSX系统的驱动开发有一套基于C++的IO Kit框架，这也是OSX内核中非常重要的一个部分，在内核开发中使用C++其实只是它的一个子集，嵌入式C++，它不可以使用C++的异常、多继承、模板、运行时等特性，但IO Kit框架为了开发的方便而去实现了类似Cocoa编程中的引用计数、运行时、容器等特性。

关于驱动程序的加载过程，我用下面的图来表示：
driver_01

当硬件插入电脑时，系统会根据硬件的类型创建一个Provider(提供者)的对象，并且这个Provider会在初使化的过程中去尝试匹配合适的驱动程序，如上图，我们开发一款适合于PCI声卡或USB音频设备的驱动程序，首先硬件载入后会去查找驱动程序Info.plist中的IOKitPersonalities的信息，如果IOProviderClass中定义了IOPCIDriver就表示可以为PCI做匹配，如果同时也有IOUSBDriver项就表示USB的设备也可以做匹配，同时如果有多个支持PCI或USB的驱动出现时，就会去调用驱动程序的probe方法，最终找到匹配度最高的驱动程序进行加载(实际的原理会更复杂)，然后该驱动程序就可以通过不同的Provider与硬件通信，并且通过标准的IOAudioDriver接口为系统提供音频的服务，从而用户程序就可以通过系统的标准方法最终让音频设备工作。

好了，直接开始编码，打开Xcode，选择IOKit Driver模板，取名工程名IOKitTest，然后可以在工程中看到会自动创建两个文件，分别是IOKitTest.h和IOKitTest.cpp，但非常遗憾的是，模板并没有为我们在这两个文件中生成任何的内容。我们手动在IOKitTest.h中输入以下内容：

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#include <IOKit/IOService.h>
class com_osxkernel_driver_IOKitTest : public IOService {
    
    //一个宏定义，会自动生成该类的构造方法、析构方法和运行时
    OSDeclareDefaultStructors(com_osxkernel_driver_IOKitTest)
    
public:
    //该方法与Cocoa中的init和C++中的构造方法类似
    virtual bool init(OSDictionary* dictionary = NULL);
    //该方法与Cocoa中的dealloc和C++中的析构方法类似
    virtual void free(void);
    
    //进行驱动匹配时调用
    virtual IOService* probe(IOService* provider, SInt32* score);
    //当匹配成功后加载驱动
    virtual bool start(IOService *provider);
    //当硬件移除时或卸载驱动
    virtual void stop(IOService *provider);
};

在IOKitTest.cpp中输入以下的代码：

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#include "IOKitTest.h"
#include <IOKit/IOLib.h>
//让你拥有Cocoa中的super关键字一样的体验
#define super IOService
//和头文件中的宏定义类似，自动生成一些特定代码
OSDefineMetaClassAndStructors(com_osxkernel_driver_IOKitTest, IOService)
//该方法打印出dict的内容
bool com_osxkernel_driver_IOKitTest::init(OSDictionary *dict)
{
    bool res = super::init(dict);
    IOLog("IOKitTest::init abcd\n");
    
    OSCollectionIterator *iter = OSCollectionIterator::withCollection(dict);
    if (iter)
    {
        OSObject *object = NULL;
        while ((object = iter->getNextObject()))
        {
            OSSymbol *key = OSDynamicCast(OSSymbol, object);
            IOLog("key:%s  ",key->getCStringNoCopy());
            OSString *value = OSDynamicCast(OSString, dict->getObject(key));
            if (value != NULL)
            {
                IOLog("value:%s\n",value->getCStringNoCopy());
            }
        }
    }
    
    return res;
}
void com_osxkernel_driver_IOKitTest::free(void)
{
    IOLog("IOKitTest::free\n");
    super::free();
}
IOService* com_osxkernel_driver_IOKitTest::probe(IOService* provider, SInt32* score)
{
    IOService *res = super::probe(provider, score);
    IOLog("IOKitTest::probe\n");
    return res;
}
bool com_osxkernel_driver_IOKitTest::start(IOService *provider)
{
    bool res = super::start(provider);
    IOLog("IOKitTest::start\n");
    //只有调用了此方法，应用层才可以连接该驱动
    registerService();
    return res;
}
void com_osxkernel_driver_IOKitTest::stop(IOService *provider)
{
    IOLog("IOKitTest::stop\n");
    super::stop(provider);
}

至此，程序部分就完成了，但如果需要让驱动程序正常的被加载，我们需要在Info.plist文件中加入必要的项目，如下图：
QQ20131026-5

其中OSBundleLibraries中的两个值对应的是内核中iokit和libkern的版本，此处我们设置内核的版本即可，而IOKitPersonalities就是上文也有提到的，用于匹配驱动程序用，IOProviderClass是需要对应特定类型的，如IOPCIDriver、IOUSBDriver等，但我们这是一个测试程序，不希望去驱动某个特定的硬件，所以指定IOResources就是无需硬件设备。

好了，我们的驱动程序就已经开发完成了，编译后在Build目录中找到IOKitTest.kext文件，如第一篇文章一样，用以下的命令完成文件所有者修改及驱动的加载：

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sudo chown -R root:wheel IOKitTest.kext
sudo kextload IOKitTest.kext

然后我们在控制台Console中就可以看到依次执行了init,probe,start这三个方法，并且发现在init中打印的dict字典正是Info.plist文件中IOKitPersonalities项所填写的项目。
当在命令行下执行以下操作：

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sudo kextunload IOKitTest.kext

你会在控制台上收到stop,free的的日志信息。

本文也只是记录了如何创建一个驱动程序的示例，但具体如何通过驱动程序与特定的硬件通信，还未涉及到相关的业务，文章中的示例代码下载：IOKitTest.zip