基于Linux内核模块的进程与内存监控工具（CentOS 7实现）

基于Linux内核模块的进程与内存监控工具（CentOS 7实现）

以下是在CentOS 7上开发完整监控工具的详细步骤和代码实现，完全符合题目要求：

一、环境准备

# 安装开发工具
sudo yum install -y gcc make
sudo yum install -y kernel-devel-$(uname -r)

二、模块实现

1. 进程监控模块 (process_monitor.c)

#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/sched/signal.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/seq_file.h>

static int __init process_monitor_init(void)
{
    struct task_struct *task;
    struct timespec64 now;
    
    ktime_get_real_ts64(&now);
    printk(KERN_INFO "[%lld.%09ld] Process Monitor Loaded\n", 
           (long long)now.tv_sec, now.tv_nsec);
    
    rcu_read_lock();
    for_each_process(task) {
        printk(KERN_INFO "PID:%-6d | Name:%-16s | State:%c | CPU: user%llu/sys%llu ns",
               task->pid, task->comm,
               task_state_to_char(task),
               task->utime, task->stime);
    }
    rcu_read_unlock();
    return 0;
}

static void __exit process_monitor_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Process monitor unloaded\n");
}

module_init(process_monitor_init);
module_exit(process_monitor_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Real-time process monitoring module");

2. 内存监控模块 (memory_monitor.c)

#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sysinfo.h>

static int __init memory_monitor_init(void)
{
    struct sysinfo si;
    
    si_meminfo(&si);
    printk(KERN_INFO "=== Memory Statistics ===");
    printk(KERN_INFO "Total Pages: %lu", si.totalram);
    printk(KERN_INFO "Free Pages: %lu", si.freeram);
    printk(KERN_INFO "Used Pages: %lu", si.totalram - si.freeram);
    return 0;
}

static void __exit memory_monitor_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Memory monitor unloaded\n");
}

module_init(memory_monitor_init);
module_exit(memory_monitor_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Memory page frame monitoring module");

3. PID查询模块 (pid_query.c)

#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/pid.h>

static int target_pid = 0;
module_param(target_pid, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(target_pid, "Target process ID");

static int __init pid_query_init(void)
{
    struct task_struct *task;
    struct pid *pid_struct;
    
    if (target_pid <= 0) {
        printk(KERN_ERR "Invalid PID specified");
        return -EINVAL;
    }
    
    pid_struct = find_get_pid(target_pid);
    if (!pid_struct) {
        printk(KERN_ERR "Process %d not found", target_pid);
        return -ESRCH;
    }
    
    task = pid_task(pid_struct, PIDTYPE_PID);
    if (!task) {
        printk(KERN_ERR "Task struct not found");
        return -ESRCH;
    }
    
    printk(KERN_INFO "=== Process Details ===");
    printk(KERN_INFO "PID: %d", task->pid);
    printk(KERN_INFO "Name: %s", task->comm);
    printk(KERN_INFO "State: %c", task_state_to_char(task));
    printk(KERN_INFO "CPU Time: user%llu/sys%llu ns", task->utime, task->stime);
    printk(KERN_INFO "PPID: %d", task->real_parent->pid);
    
    return 0;
}

static void __exit pid_query_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "PID query unloaded\n");
}

module_init(pid_query_init);
module_exit(pid_query_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Process detail query by PID");

三、编译配置 (Makefile)

obj-m := process_monitor.o memory_monitor.o pid_query.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

# 禁用格式警告
ccflags-y := -Wno-format

all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

四、操作流程

1. 编译模块

make

2. 加载模块

sudo insmod process_monitor.ko
sudo insmod memory_monitor.ko
ps  查询进程 pid
sudo insmod pid_query.ko target_pid=1  # 查询PID为1的进程

3. 查看监控结果

dmesg | tail -30

4. 卸载模块

sudo rmmod process_monitor memory_monitor pid_query

一、功能实现验证

二、输出结果解读

1. 进程监控模块：

   • 捕获了系统所有进程（包括 gnome-terminal、bash、sleep 等）
   • 显示状态标识：S（可中断睡眠）、R（运行中）
   • CPU时间精确到纳秒级

2. 内存监控：

   • 总页框：4,692,373
   • 空闲页框：4,078,424
   • 已用页框：613,949
   • 符合物理内存页框统计逻辑

3. PID查询：

   • 成功查询PID 1906的进程（bash）
   • 显示父进程ID（PPID）：1888
   • 状态：S（睡眠）
   • 用户态CPU：36,000,000 ns
   • 内核态CPU：74,000,000 ns

---

一、实时进程信息查看

命令：dmesg | grep "PID:" | tail -20

二、内存页框分配统计

命令：dmesg | grep -A3 "Memory Statistics"

三、PID查询结果

命令：dmesg | grep -A5 "Process Details"

解读

一、实时进程监控（process_monitor模块）

[ 3830.601393] PID:6384   | Name:insmod           | State:R | CPU: user3000000/sys10000000 ns

• PID: 6384（加载内核模块的进程）
• 进程名: insmod（内核模块加载工具）
• 状态: R（Running，正在运行）
• CPU占用 :
  • 用户态: 3,000,000 ns (0.003秒)
  • 内核态: 10,000,000 ns (0.01秒)

该输出展示了系统正在运行的进程详细信息，包括特殊进程如insmod

二、内存页框监控（memory_monitor模块）

[ 3839.013640] === Memory Statistics ===
[ 3839.013642] Total Pages: 4692373
[ 3839.013645] Free Pages: 4078424
[ 3839.013646] Used Pages: 613949

• 总页框: 4,692,373（约18.77GB，假设页框大小为4KB）
• 空闲页框: 4,078,424（约16.31GB）
• 已用页框: 613,949（约2.46GB）

内存使用率 = 613949 / 4692373 ≈ 13.1%，系统内存压力较小

三、PID查询（pid_query模块）

[ 3857.522788] === Process Details ===
[ 3857.522795] PID: 1906
[ 3857.522798] Name: bash
[ 3857.522799] State: S
[ 3857.522802] CPU Time: user36000000/sys74000000 ns
[ 3857.522803] PPID: 1888

• 查询目标: PID 1906
• 进程名: bash（Shell终端）
• 状态: S（Sleeping，可中断睡眠）
• CPU时间 :
  • 用户态: 36,000,000 ns (0.036秒)
  • 内核态: 74,000,000 ns (0.074秒)
• 父进程ID: 1888

该进程是一个bash终端，处于睡眠状态（等待用户输入）

ime: user36000000/sys74000000 ns

3857.522803\] PPID: 1888 - **查询目标**: PID 1906 - **进程名**: bash（Shell终端） - **状态**: S（Sleeping，可中断睡眠） - **CPU时间**: - 用户态: 36,000,000 ns (0.036秒) - 内核态: 74,000,000 ns (0.074秒) - **父进程ID**: 1888 > 该进程是一个bash终端，处于睡眠状态（等待用户输入）