linux 内核空间 sy,在 Linux 下用户空间与内核空间数据交换的方式，第 1 部分: 内核启动参数、模块参数与sysf...
級別： 初級
燚 楊 (), 計算機科學碩士
2006 年 2 月 16 日
本系列文章包括兩篇，它們文詳細地介紹了 Linux 系統(tǒng)下用戶空間與內核空間數(shù)據(jù)交換的九種方式，包括內核啟動參數(shù)、模塊參數(shù)與 sysfs、sysctl、系統(tǒng)調用、netlink、procfs、seq_file、debugfs和relayfs，并給出具體的例子幫助讀者掌握這些技術的使用。
本文是該系列文章的第一篇，它介紹了內核啟動參數(shù)、模塊參數(shù)與sysfs、sysctl、系統(tǒng)調用和netlink，并結合給出的例子程序詳細地說明了它們如何使用。
一般地，在使用虛擬內存技術的多任務系統(tǒng)上，內核和應用有不同的地址空間，因此，在內核和應用之間以及在應用與應用之間進行數(shù)據(jù)交換需要專門的機制來實現(xiàn)，眾所周知，進程間通信(IPC)機制就是為實現(xiàn)應用與應用之間的數(shù)據(jù)交換而專門實現(xiàn)的，大部分讀者可能對進程間通信比較了解，但對應用與內核之間的數(shù)據(jù)交換機制可能了解甚少，本文將詳細介紹 Linux 系統(tǒng)下內核與應用進行數(shù)據(jù)交換的各種方式，包括內核啟動參數(shù)、模塊參數(shù)與 sysfs、sysctl、系統(tǒng)調用、netlink、procfs、seq_file、debugfs 和 relayfs。
Linux 提供了一種通過 bootloader 向其傳輸啟動參數(shù)的功能，內核開發(fā)者可以通過這種方式來向內核傳輸數(shù)據(jù)，從而控制內核啟動行為。
通常的使用方式是，定義一個分析參數(shù)的函數(shù)，而后使用內核提供的宏 __setup把它注冊到內核中，該宏定義在 linux/init.h 中，因此要使用它必須包含該頭文件：
__setup("para_name=", parse_func)
para_name 為參數(shù)名，parse_func 為分析參數(shù)值的函數(shù)，它負責把該參數(shù)的值轉換成相應的內核變量的值并設置那個內核變量。內核為整數(shù)參數(shù)值的分析提供了函數(shù) get_option 和 get_options，前者用于分析參數(shù)值為一個整數(shù)的情況，而后者用于分析參數(shù)值為逗號分割的一系列整數(shù)的情況，對于參數(shù)值為字符串的情況，需要開發(fā)者自定義相應的分析函數(shù)。在源代碼包中的內核程序kern-boot-params.c 說明了三種情況的使用。該程序列舉了參數(shù)為一個整數(shù)、逗號分割的整數(shù)串以及字符串三種情況，讀者要想測試該程序，需要把該程序拷貝到要使用的內核的源碼目錄樹的一個目錄下，為了避免與內核其他部分混淆，作者建議在內核源碼樹的根目錄下創(chuàng)建一個新目錄，如 examples，然后把該程序拷貝到 examples 目錄下并重新命名為 setup_example.c，并且為該目錄創(chuàng)建一個 Makefile 文件：
obj-y = setup_example.o
Makefile 僅許這一行就足夠了，然后需要修改源碼樹的根目錄下的 Makefile文件的一行，把下面行
core-y := usr/
修改為
core-y := usr/ examples/
注意：如果讀者創(chuàng)建的新目錄和重新命名的文件名與上面不同，需要修改上面所說 Makefile 文件相應的位置。做完以上工作就可以按照內核構建步驟去構建新的內核，在構建好內核并設置好lilo或grub為該內核的啟動條目后，就可以啟動該內核，然后使用lilo或grub的編輯功能為該內核的啟動參數(shù)行增加如下參數(shù)串：
setup_example_int=1234 setup_example_int_array=100,200,300,400 setup_example_string=Thisisatest
當然，該參數(shù)串也可以直接寫入到lilo或grub的配置文件中對應于該新內核的內核命令行參數(shù)串中。讀者可以使用其它參數(shù)值來測試該功能。
下面是作者系統(tǒng)上使用上面參數(shù)行的輸出：
setup_example_int=1234
setup_example_int_array=100,200,300,400
setup_example_int_array includes 4 intergers
setup_example_string=Thisisatest
讀者可以使用
dmesg | grep setup
來查看該程序的輸出。
內核子系統(tǒng)或設備驅動可以直接編譯到內核，也可以編譯成模塊，如果編譯到內核，可以使用前一節(jié)介紹的方法通過內核啟動參數(shù)來向它們傳遞參數(shù)，如果編譯成模塊，則可以通過命令行在插入模塊時傳遞參數(shù)，或者在運行時，通過sysfs來設置或讀取模塊數(shù)據(jù)。
Sysfs是一個基于內存的文件系統(tǒng)，實際上它基于ramfs，sysfs提供了一種把內核數(shù)據(jù)結構，它們的屬性以及屬性與數(shù)據(jù)結構的聯(lián)系開放給用戶態(tài)的方式，它與kobject子系統(tǒng)緊密地結合在一起，因此內核開發(fā)者不需要直接使用它，而是內核的各個子系統(tǒng)使用它。用戶要想使用 sysfs 讀取和設置內核參數(shù)，僅需裝載 sysfs 就可以通過文件操作應用來讀取和設置內核通過 sysfs 開放給用戶的各個參數(shù)：
$ mkdir -p /sysfs
$ mount -t sysfs sysfs /sysfs
注意，不要把 sysfs 和 sysctl 混淆，sysctl 是內核的一些控制參數(shù)，其目的是方便用戶對內核的行為進行控制，而 sysfs 僅僅是把內核的 kobject 對象的層次關系與屬性開放給用戶查看，因此 sysfs 的絕大部分是只讀的，模塊作為一個 kobject 也被出口到 sysfs，模塊參數(shù)則是作為模塊屬性出口的，內核實現(xiàn)者為模塊的使用提供了更靈活的方式，允許用戶設置模塊參數(shù)在 sysfs 的可見性并允許用戶在編寫模塊時設置這些參數(shù)在 sysfs 下的訪問權限，然后用戶就可以通過sysfs 來查看和設置模塊參數(shù)，從而使得用戶能在模塊運行時控制模塊行為。
對于模塊而言，聲明為 static 的變量都可以通過命令行來設置，但要想在 sysfs下可見，必須通過宏 module_param 來顯式聲明，該宏有三個參數(shù)，第一個為參數(shù)名，即已經(jīng)定義的變量名，第二個參數(shù)則為變量類型，可用的類型有 byte, short, ushort, int, uint, long, ulong, charp 和 bool 或 invbool，分別對應于 c 類型 char, short, unsigned short, int, unsigned int, long, unsigned long, char * 和 int，用戶也可以自定義類型 XXX(如果用戶自己定義了 param_get_XXX，param_set_XXX 和 param_check_XXX)。該宏的第三個參數(shù)用于指定訪問權限，如果為 0，該參數(shù)將不出現(xiàn)在 sysfs 文件系統(tǒng)中，允許的訪問權限為 S_IRUSR， S_IWUSR，S_IRGRP，S_IWGRP，S_IROTH 和 S_IWOTH 的組合，它們分別對應于用戶讀，用戶寫，用戶組讀，用戶組寫，其他用戶讀和其他用戶寫，因此用文件的訪問權限設置是一致的。
在源代碼包中的內核模塊 module-param-exam.c 是一個利用模塊參數(shù)和sysfs來進行用戶態(tài)與內核態(tài)數(shù)據(jù)交互的例子。該模塊有三個參數(shù)可以通過命令行設置，下面是作者系統(tǒng)上的運行結果示例：
$ insmod ./module-param-exam.ko my_invisible_int=10 my_visible_int=20 mystring="Hello,World"
my_invisible_int = 10
my_visible_int = 20
mystring = 'Hello,World'
$ ls /sys/module/module_param_exam/parameters/
mystring my_visible_int
$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/mystring
Hello,World
$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int
20
$ echo 2000 > /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int
$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int
2000
$ echo "abc" > /sys/module/module_param_exam/parameters/mystring
$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/mystring
abc
$ rmmod module_param_exam
my_invisible_int = 10
my_visible_int = 2000
mystring = 'abc'
Sysctl是一種用戶應用來設置和獲得運行時內核的配置參數(shù)的一種有效方式，通過這種方式，用戶應用可以在內核運行的任何時刻來改變內核的配置參數(shù)，也可以在任何時候獲得內核的配置參數(shù)，通常，內核的這些配置參數(shù)也出現(xiàn)在proc文件系統(tǒng)的/proc/sys目錄下，用戶應用可以直接通過這個目錄下的文件來實現(xiàn)內核配置的讀寫操作，例如，用戶可以通過
Cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
來得知內核IP層是否允許轉發(fā)IP包，用戶可以通過
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
把內核 IP 層設置為允許轉發(fā) IP 包，即把該機器配置成一個路由器或網(wǎng)關。一般地，所有的 Linux 發(fā)布也提供了一個系統(tǒng)工具 sysctl，它可以設置和讀取內核的配置參數(shù)，但是該工具依賴于 proc 文件系統(tǒng)，為了使用該工具，內核必須支持 proc 文件系統(tǒng)。下面是使用 sysctl 工具來獲取和設置內核配置參數(shù)的例子：
$ sysctl net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 0
$ sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.ip_forward = 1
$ sysctl net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 1
注意，參數(shù) net.ipv4.ip_forward 實際被轉換到對應的 proc 文件/proc/sys/net/ipv4/ip_forward，選項 -w 表示設置該內核配置參數(shù)，沒有選項表示讀內核配置參數(shù)，用戶可以使用 sysctl -a 來讀取所有的內核配置參數(shù)，對應更多的 sysctl 工具的信息，請參考手冊頁 sysctl(8)。
但是 proc 文件系統(tǒng)對 sysctl 不是必須的，在沒有 proc 文件系統(tǒng)的情況下，仍然可以，這時需要使用內核提供的系統(tǒng)調用 sysctl 來實現(xiàn)對內核配置參數(shù)的設置和讀取。
在源代碼包中給出了一個實際例子程序，它說明了如何在內核和用戶態(tài)使用sysctl。頭文件 sysctl-exam.h 定義了 sysctl 條目 ID，用戶態(tài)應用和內核模塊需要這些 ID 來操作和注冊 sysctl 條目。內核模塊在文件 sysctl-exam-kern.c 中實現(xiàn)，在該內核模塊中，每一個 sysctl 條目對應一個 struct ctl_table 結構，該結構定義了要注冊的 sysctl 條目的 ID(字段 ctl_name)，在 proc 下的名稱(字段procname)，對應的內核變量(字段data，注意該該字段的賦值必須是指針)，條目允許的最大長度(字段maxlen，它主要用于字符串內核變量，以便在對該條目設置時，對超過該最大長度的字符串截掉后面超長的部分)，條目在proc文件系統(tǒng)下的訪問權限(字段mode)，在通過proc設置時的處理函數(shù)(字段proc_handler，對于整型內核變量，應當設置為&proc_dointvec，而對于字符串內核變量，則設置為 &proc_dostring)，字符串處理策略(字段strategy，一般這是為&sysctl_string)。
Sysctl 條目可以是目錄，此時 mode 字段應當設置為 0555，否則通過 sysctl 系統(tǒng)調用將無法訪問它下面的 sysctl 條目，child 則指向該目錄條目下面的所有條目，對于在同一目錄下的多個條目，不必一一注冊，用戶可以把它們組織成一個 struct ctl_table 類型的數(shù)組，然后一次注冊就可以，但此時必須把數(shù)組的最后一個結構設置為NULL，即
{
.ctl_name = 0
}
注冊sysctl條目使用函數(shù)register_sysctl_table(struct ctl_table *, int)，第一個參數(shù)為定義的struct ctl_table結構的sysctl條目或條目數(shù)組指針，第二個參數(shù)為插入到sysctl條目表中的位置，如果插入到末尾，應當為0，如果插入到開頭，則為非0。內核把所有的sysctl條目都組織成sysctl表。
當模塊卸載時，需要使用函數(shù)unregister_sysctl_table(struct ctl_table_header *)解注冊通過函數(shù)register_sysctl_table注冊的sysctl條目，函數(shù)register_sysctl_table在調用成功時返回結構struct ctl_table_header，它就是sysctl表的表頭，解注冊函數(shù)使用它來卸載相應的sysctl條目。用戶態(tài)應用sysctl-exam-user.c通過sysctl系統(tǒng)調用來查看和設置前面內核模塊注冊的sysctl條目(當然如果用戶的系統(tǒng)內核已經(jīng)支持proc文件系統(tǒng)，可以直接使用文件操作應用如cat, echo等直接查看和設置這些sysctl條目)。
下面是作者運行該模塊與應用的輸出結果示例：
$ insmod ./sysctl-exam-kern.ko
$ cat /proc/sys/mysysctl/myint
0
$ cat /proc/sys/mysysctl/mystring
$ ./sysctl-exam-user
mysysctl.myint = 0
mysysctl.mystring = ""
$ ./sysctl-exam-user 100 "Hello, World"
old value: mysysctl.myint = 0
new value: mysysctl.myint = 100
old vale: mysysctl.mystring = ""
new value: mysysctl.mystring = "Hello, World"
$ cat /proc/sys/mysysctl/myint
100
$ cat /proc/sys/mysysctl/mystring
Hello, World
$
系統(tǒng)調用是內核提供給應用程序的接口，應用對底層硬件的操作大部分都是通過調用系統(tǒng)調用來完成的，例如得到和設置系統(tǒng)時間，就需要分別調用 gettimeofday 和 settimeofday 來實現(xiàn)。事實上，所有的系統(tǒng)調用都涉及到內核與應用之間的數(shù)據(jù)交換，如文件系統(tǒng)操作函數(shù) read 和 write，設置和讀取網(wǎng)絡協(xié)議棧的 setsockopt 和 getsockopt。本節(jié)并不是講解如何增加新的系統(tǒng)調用，而是講解如何利用現(xiàn)有系統(tǒng)調用來實現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求。
一般地，用戶可以建立一個偽設備來作為應用與內核之間進行數(shù)據(jù)交換的渠道，最通常的做法是使用偽字符設備，具體實現(xiàn)方法是：
1．定義對字符設備進行操作的必要函數(shù)并設置結構 struct file_operations
結構 struct file_operations 非常大，對于一般的數(shù)據(jù)交換需求，只定義 open, read, write, ioctl, mmap 和 release 函數(shù)就足夠了，它們實際上對應于用戶態(tài)的文件系統(tǒng)操作函數(shù) open, read, write, ioctl, mmap 和 close。這些函數(shù)的原型示例如下：
ssize_t exam_read (struct file * file, char __user * buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
…
}
ssize_t exam_write(struct file * file, const char __user * buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
…
}
int exam_ioctl(struct inode * inode, struct file * file, unsigned int cmd, unsigned long argv)
{
…
}
int exam_mmap(struct file *, struct vm_area_struct *)
{
…
}
int exam_open(struct inode * inode, struct file * file)
{
…
}
int exam_release(struct inode * inode, struct file * file)
{
…
}
在定義了這些操作函數(shù)后需要定義并設置結構struct file_operations
struct file_operations exam_file_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = exam_read,
.write = exam_write,
.ioctl = exam_ioctl,
.mmap = exam_mmap,
.open = exam_open,
.release = exam_release,
};
2. 注冊定義的偽字符設備并把它和上面的 struct file_operations 關聯(lián)起來：
int exam_char_dev_major;
exam_char_dev_major = register_chrdev(0, "exam_char_dev", &exam_file_ops);
注意，函數(shù) register_chrdev 的第一個參數(shù)如果為 0，表示由內核來確定該注冊偽字符設備的主設備號，這是該函數(shù)的返回為實際分配的主設備號，如果返回小于 0，表示注冊失敗。因此，用戶在使用該函數(shù)時必須判斷返回值以便處理失敗情況。為了使用該函數(shù)必須包含頭文件 linux/fs.h。
在源代碼包中給出了一個使用這種方式實現(xiàn)用戶態(tài)與內核態(tài)數(shù)據(jù)交換的典型例子，它包含了三個文件：頭文件 syscall-exam.h 定義了 ioctl 命令，.c 文件 syscall-exam-user.c為用戶態(tài)應用，它通過文件系統(tǒng)操作函數(shù) mmap 和 ioctl 來與內核態(tài)模塊交換數(shù)據(jù)，.c 文件 syscall-exam-kern.c 為內核模塊，它實現(xiàn)了一個偽字符設備，以便與用戶態(tài)應用進行數(shù)據(jù)交換。為了正確運行應用程序 syscall-exam-user，需要在插入模塊 syscall-exam-kern 后創(chuàng)建該實現(xiàn)的偽字符設備，用戶可以使用下面命令來正確創(chuàng)建設備：
$ mknod /dev/mychrdev c `dmesg | grep "char device mychrdev" | sed 's/.*major is //g'` 0
然后用戶可以通過 cat 來讀寫 /dev/mychrdev，應用程序 syscall-exam-user則使用 mmap 來讀數(shù)據(jù)并使用 ioctl 來得到該字符設備的信息以及裁減數(shù)據(jù)內容，它只是示例如何使用現(xiàn)有的系統(tǒng)調用來實現(xiàn)用戶需要的數(shù)據(jù)交互操作。
下面是作者運行該模塊的結果示例：
$ insmod ./syscall-exam-kern.ko
char device mychrdev is registered, major is 254
$ mknod /dev/mychrdev c `dmesg | grep "char device mychrdev" | sed 's/.*major is //g'` 0
$ cat /dev/mychrdev
$ echo "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz" > /dev/mychrdev
$ cat /dev/mychrdev
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
$ ./syscall-exam-user
User process: syscall-exam-us(1433)
Available space: 65509 bytes
Data len: 27 bytes
Offset in physical: cc0 bytes
mychrdev content by mmap:
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
$ cat /dev/mychrdev
abcde
$
Netlink 是一種特殊的 socket，它是 Linux 所特有的，類似于 BSD 中的AF_ROUTE 但又遠比它的功能強大，目前在最新的 Linux 內核(2.6.14)中使用netlink 進行應用與內核通信的應用很多，包括：路由 daemon(NETLINK_ROUTE)，1-wire 子系統(tǒng)(NETLINK_W1)，用戶態(tài) socket 協(xié)議(NETLINK_USERSOCK)，防火墻(NETLINK_FIREWALL)，socket 監(jiān)視(NETLINK_INET_DIAG)，netfilter 日志(NETLINK_NFLOG)，ipsec 安全策略(NETLINK_XFRM)，SELinux 事件通知(NETLINK_SELINUX)，iSCSI 子系統(tǒng)(NETLINK_ISCSI)，進程審計(NETLINK_AUDIT)，轉發(fā)信息表查詢(NETLINK_FIB_LOOKUP)，netlink connector(NETLINK_CONNECTOR),netfilter 子系統(tǒng)(NETLINK_NETFILTER)，IPv6 防火墻(NETLINK_IP6_FW)，DECnet 路由信息(NETLINK_DNRTMSG)，內核事件向用戶態(tài)通知(NETLINK_KOBJECT_UEVENT)，通用 netlink(NETLINK_GENERIC)。
Netlink 是一種在內核與用戶應用間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆浅：玫姆绞?#xff0c;用戶態(tài)應用使用標準的 socket API 就可以使用 netlink 提供的強大功能，內核態(tài)需要使用專門的內核 API 來使用 netlink。
Netlink 相對于系統(tǒng)調用，ioctl 以及 /proc 文件系統(tǒng)而言具有以下優(yōu)點：
1，為了使用 netlink，用戶僅需要在 include/linux/netlink.h 中增加一個新類型的 netlink 協(xié)議定義即可， 如 #define NETLINK_MYTEST 17 然后，內核和用戶態(tài)應用就可以立即通過 socket API 使用該 netlink 協(xié)議類型進行數(shù)據(jù)交換。但系統(tǒng)調用需要增加新的系統(tǒng)調用，ioctl 則需要增加設備或文件， 那需要不少代碼，proc 文件系統(tǒng)則需要在 /proc 下添加新的文件或目錄，那將使本來就混亂的 /proc 更加混亂。
2. netlink是一種異步通信機制，在內核與用戶態(tài)應用之間傳遞的消息保存在socket緩存隊列中，發(fā)送消息只是把消息保存在接收者的socket的接收隊列，而不需要等待接收者收到消息，但系統(tǒng)調用與 ioctl 則是同步通信機制，如果傳遞的數(shù)據(jù)太長，將影響調度粒度。
3．使用 netlink 的內核部分可以采用模塊的方式實現(xiàn)，使用 netlink 的應用部分和內核部分沒有編譯時依賴，但系統(tǒng)調用就有依賴，而且新的系統(tǒng)調用的實現(xiàn)必須靜態(tài)地連接到內核中，它無法在模塊中實現(xiàn)，使用新系統(tǒng)調用的應用在編譯時需要依賴內核。
4．netlink 支持多播，內核模塊或應用可以把消息多播給一個netlink組，屬于該neilink 組的任何內核模塊或應用都能接收到該消息，內核事件向用戶態(tài)的通知機制就使用了這一特性，任何對內核事件感興趣的應用都能收到該子系統(tǒng)發(fā)送的內核事件，在后面的文章中將介紹這一機制的使用。
5．內核可以使用 netlink 首先發(fā)起會話，但系統(tǒng)調用和 ioctl 只能由用戶應用發(fā)起調用。
6．netlink 使用標準的 socket API，因此很容易使用，但系統(tǒng)調用和 ioctl則需要專門的培訓才能使用。
用戶態(tài)應用使用標準的socket APIs， socket(), bind(), sendmsg(), recvmsg() 和 close() 就能很容易地使用 netlink socket，查詢手冊頁可以了解這些函數(shù)的使用細節(jié)，本文只是講解使用 netlink 的用戶應該如何使用這些函數(shù)。注意，使用 netlink 的應用必須包含頭文件 linux/netlink.h。當然 socket 需要的頭文件也必不可少，sys/socket.h。
為了創(chuàng)建一個 netlink socket，用戶需要使用如下參數(shù)調用 socket():
socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, netlink_type)
第一個參數(shù)必須是 AF_NETLINK 或 PF_NETLINK，在 Linux 中，它們倆實際為一個東西，它表示要使用netlink，第二個參數(shù)必須是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM， 第三個參數(shù)指定netlink協(xié)議類型，如前面講的用戶自定義協(xié)議類型NETLINK_MYTEST， NETLINK_GENERIC是一個通用的協(xié)議類型，它是專門為用戶使用的，因此，用戶可以直接使用它，而不必再添加新的協(xié)議類型。內核預定義的協(xié)議類型有：
#define NETLINK_ROUTE 0 /* Routing/device hook */
#define NETLINK_W1 1 /* 1-wire subsystem */
#define NETLINK_USERSOCK 2 /* Reserved for user mode socket protocols */
#define NETLINK_FIREWALL 3 /* Firewalling hook */
#define NETLINK_INET_DIAG 4 /* INET socket monitoring */
#define NETLINK_NFLOG 5 /* netfilter/iptables ULOG */
#define NETLINK_XFRM 6 /* ipsec */
#define NETLINK_SELINUX 7 /* SELinux event notifications */
#define NETLINK_ISCSI 8 /* Open-iSCSI */
#define NETLINK_AUDIT 9 /* auditing */
#define NETLINK_FIB_LOOKUP 10
#define NETLINK_CONNECTOR 11
#define NETLINK_NETFILTER 12 /* netfilter subsystem */
#define NETLINK_IP6_FW 13
#define NETLINK_DNRTMSG 14 /* DECnet routing messages */
#define NETLINK_KOBJECT_UEVENT 15 /* Kernel messages to userspace */
#define NETLINK_GENERIC 16
對于每一個netlink協(xié)議類型，可以有多達 32多播組，每一個多播組用一個位表示，netlink 的多播特性使得發(fā)送消息給同一個組僅需要一次系統(tǒng)調用，因而對于需要多撥消息的應用而言，大大地降低了系統(tǒng)調用的次數(shù)。
函數(shù) bind() 用于把一個打開的 netlink socket 與 netlink 源 socket 地址綁定在一起。netlink socket 的地址結構如下：
struct sockaddr_nl
{
sa_family_t nl_family;
unsigned short nl_pad;
__u32 nl_pid;
__u32 nl_groups;
};
字段 nl_family 必須設置為 AF_NETLINK 或著 PF_NETLINK，字段 nl_pad 當前沒有使用，因此要總是設置為 0，字段 nl_pid 為接收或發(fā)送消息的進程的 ID，如果希望內核處理消息或多播消息，就把該字段設置為 0，否則設置為處理消息的進程 ID。字段 nl_groups 用于指定多播組，bind 函數(shù)用于把調用進程加入到該字段指定的多播組，如果設置為 0，表示調用者不加入任何多播組。
傳遞給 bind 函數(shù)的地址的 nl_pid 字段應當設置為本進程的進程 ID，這相當于 netlink socket 的本地地址。但是，對于一個進程的多個線程使用 netlink socket 的情況，字段 nl_pid 則可以設置為其它的值，如：
pthread_self() << 16 | getpid();
因此字段 nl_pid 實際上未必是進程 ID,它只是用于區(qū)分不同的接收者或發(fā)送者的一個標識，用戶可以根據(jù)自己需要設置該字段。函數(shù) bind 的調用方式如下：
bind(fd, (struct sockaddr*)&nladdr, sizeof(struct sockaddr_nl));
fd為前面的 socket 調用返回的文件描述符，參數(shù) nladdr 為 struct sockaddr_nl 類型的地址。為了發(fā)送一個 netlink 消息給內核或其他用戶態(tài)應用，需要填充目標 netlink socket 地址，此時，字段 nl_pid 和 nl_groups 分別表示接收消息者的進程 ID 與多播組。如果字段 nl_pid 設置為 0，表示消息接收者為內核或多播組，如果 nl_groups為 0，表示該消息為單播消息，否則表示多播消息。使用函數(shù) sendmsg 發(fā)送 netlink 消息時還需要引用結構 struct msghdr、struct nlmsghdr 和 struct iovec，結構 struct msghdr 需如下設置：
struct msghdr msg;
memset(&msg, 0, sizeof(msg));
msg.msg_name = (void *)&(nladdr);
msg.msg_namelen = sizeof(nladdr);
其中 nladdr 為消息接收者的 netlink 地址。
struct nlmsghdr 為 netlink socket 自己的消息頭，這用于多路復用和多路分解 netlink 定義的所有協(xié)議類型以及其它一些控制，netlink 的內核實現(xiàn)將利用這個消息頭來多路復用和多路分解已經(jīng)其它的一些控制，因此它也被稱為netlink 控制塊。因此，應用在發(fā)送 netlink 消息時必須提供該消息頭。
struct nlmsghdr
{
__u32 nlmsg_len; /* Length of message */
__u16 nlmsg_type; /* Message type*/
__u16 nlmsg_flags; /* Additional flags */
__u32 nlmsg_seq; /* Sequence number */
__u32 nlmsg_pid; /* Sending process PID */
};
字段 nlmsg_len 指定消息的總長度，包括緊跟該結構的數(shù)據(jù)部分長度以及該結構的大小，字段 nlmsg_type 用于應用內部定義消息的類型，它對 netlink 內核實現(xiàn)是透明的，因此大部分情況下設置為 0，字段 nlmsg_flags 用于設置消息標志，可用的標志包括：
/* Flags values */
#define NLM_F_REQUEST 1 /* It is request message. */
#define NLM_F_MULTI 2 /* Multipart message, terminated by NLMSG_DONE */
#define NLM_F_ACK 4 /* Reply with ack, with zero or error code */
#define NLM_F_ECHO 8 /* Echo this request */
/* Modifiers to GET request */
#define NLM_F_ROOT 0x100 /* specify tree root */
#define NLM_F_MATCH 0x200 /* return all matching */
#define NLM_F_ATOMIC 0x400 /* atomic GET */
#define NLM_F_DUMP (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH)
/* Modifiers to NEW request */
#define NLM_F_REPLACE 0x100 /* Override existing */
#define NLM_F_EXCL 0x200 /* Do not touch, if it exists */
#define NLM_F_CREATE 0x400 /* Create, if it does not exist */
#define NLM_F_APPEND 0x800 /* Add to end of list */
標志NLM_F_REQUEST用于表示消息是一個請求，所有應用首先發(fā)起的消息都應設置該標志。
標志NLM_F_MULTI 用于指示該消息是一個多部分消息的一部分，后續(xù)的消息可以通過宏NLMSG_NEXT來獲得。
宏NLM_F_ACK表示該消息是前一個請求消息的響應，順序號與進程ID可以把請求與響應關聯(lián)起來。
標志NLM_F_ECHO表示該消息是相關的一個包的回傳。
標志NLM_F_ROOT 被許多 netlink 協(xié)議的各種數(shù)據(jù)獲取操作使用，該標志指示被請求的數(shù)據(jù)表應當整體返回用戶應用，而不是一個條目一個條目地返回。有該標志的請求通常導致響應消息設置NLM_F_MULTI標志。注意，當設置了該標志時，請求是協(xié)議特定的，因此，需要在字段 nlmsg_type 中指定協(xié)議類型。
標志 NLM_F_MATCH 表示該協(xié)議特定的請求只需要一個數(shù)據(jù)子集，數(shù)據(jù)子集由指定的協(xié)議特定的過濾器來匹配。
標志 NLM_F_ATOMIC 指示請求返回的數(shù)據(jù)應當原子地收集，這預防數(shù)據(jù)在獲取期間被修改。
標志 NLM_F_DUMP 未實現(xiàn)。
標志 NLM_F_REPLACE 用于取代在數(shù)據(jù)表中的現(xiàn)有條目。
標志 NLM_F_EXCL_ 用于和 CREATE 和 APPEND 配合使用，如果條目已經(jīng)存在，將失敗。
標志 NLM_F_CREATE 指示應當在指定的表中創(chuàng)建一個條目。
標志 NLM_F_APPEND 指示在表末尾添加新的條目。
內核需要讀取和修改這些標志，對于一般的使用，用戶把它設置為 0 就可以，只是一些高級應用(如 netfilter 和路由 daemon 需要它進行一些復雜的操作)，字段 nlmsg_seq 和 nlmsg_pid 用于應用追蹤消息，前者表示順序號，后者為消息來源進程 ID。下面是一個示例：
#define MAX_MSGSIZE 1024
char buffer[] = "An example message";
struct nlmsghdr nlhdr;
nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_MSGSIZE));
strcpy(NLMSG_DATA(nlhdr),buffer);
nlhdr->nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(strlen(buffer));
nlhdr->nlmsg_pid = getpid(); /* self pid */
nlhdr->nlmsg_flags = 0;
結構 struct iovec 用于把多個消息通過一次系統(tǒng)調用來發(fā)送，下面是該結構使用示例：
struct iovec iov;
iov.iov_base = (void *)nlhdr;
iov.iov_len = nlh->nlmsg_len;
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;
在完成以上步驟后，消息就可以通過下面語句直接發(fā)送：
sendmsg(fd, &msg, 0);
應用接收消息時需要首先分配一個足夠大的緩存來保存消息頭以及消息的數(shù)據(jù)部分，然后填充消息頭，添完后就可以直接調用函數(shù) recvmsg() 來接收。
#define MAX_NL_MSG_LEN 1024
struct sockaddr_nl nladdr;
struct msghdr msg;
struct iovec iov;
struct nlmsghdr * nlhdr;
nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(MAX_NL_MSG_LEN);
iov.iov_base = (void *)nlhdr;
iov.iov_len = MAX_NL_MSG_LEN;
msg.msg_name = (void *)&(nladdr);
msg.msg_namelen = sizeof(nladdr);
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;
recvmsg(fd, &msg, 0);
注意：fd為socket調用打開的netlink socket描述符。
在消息接收后，nlhdr指向接收到的消息的消息頭，nladdr保存了接收到的消息的目標地址，宏NLMSG_DATA(nlhdr)返回指向消息的數(shù)據(jù)部分的指針。
在linux/netlink.h中定義了一些方便對消息進行處理的宏，這些宏包括：
#define NLMSG_ALIGNTO 4
#define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) )
宏NLMSG_ALIGN(len)用于得到不小于len且字節(jié)對齊的最小數(shù)值。
#define NLMSG_LENGTH(len) ((len)+NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))
宏NLMSG_LENGTH(len)用于計算數(shù)據(jù)部分長度為len時實際的消息長度。它一般用于分配消息緩存。
#define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))
宏NLMSG_SPACE(len)返回不小于NLMSG_LENGTH(len)且字節(jié)對齊的最小數(shù)值，它也用于分配消息緩存。
#define NLMSG_DATA(nlh) ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))
宏NLMSG_DATA(nlh)用于取得消息的數(shù)據(jù)部分的首地址，設置和讀取消息數(shù)據(jù)部分時需要使用該宏。
#define NLMSG_NEXT(nlh,len) ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \
(struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))
宏NLMSG_NEXT(nlh,len)用于得到下一個消息的首地址，同時len也減少為剩余消息的總長度，該宏一般在一個消息被分成幾個部分發(fā)送或接收時使用。
#define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \
(nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \
(nlh)->nlmsg_len <= (len))
宏NLMSG_OK(nlh,len)用于判斷消息是否有l(wèi)en這么長。
#define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len)))
宏NLMSG_PAYLOAD(nlh,len)用于返回payload的長度。
函數(shù)close用于關閉打開的netlink socket。
netlink的內核實現(xiàn)在.c文件net/core/af_netlink.c中，內核模塊要想使用netlink，也必須包含頭文件linux/netlink.h。內核使用netlink需要專門的API，這完全不同于用戶態(tài)應用對netlink的使用。如果用戶需要增加新的netlink協(xié)議類型，必須通過修改linux/netlink.h來實現(xiàn)，當然，目前的netlink實現(xiàn)已經(jīng)包含了一個通用的協(xié)議類型NETLINK_GENERIC以方便用戶使用，用戶可以直接使用它而不必增加新的協(xié)議類型。前面講到，為了增加新的netlink協(xié)議類型，用戶僅需增加如下定義到linux/netlink.h就可以：
#define NETLINK_MYTEST 17
只要增加這個定義之后，用戶就可以在內核的任何地方引用該協(xié)議。
在內核中，為了創(chuàng)建一個netlink socket用戶需要調用如下函數(shù)：
struct sock *
netlink_kernel_create(int unit, void (*input)(struct sock *sk, int len));
參數(shù)unit表示netlink協(xié)議類型，如NETLINK_MYTEST，參數(shù)input則為內核模塊定義的netlink消息處理函數(shù)，當有消息到達這個netlink socket時，該input函數(shù)指針就會被引用。函數(shù)指針input的參數(shù)sk實際上就是函數(shù)netlink_kernel_create返回的struct sock指針，sock實際是socket的一個內核表示數(shù)據(jù)結構，用戶態(tài)應用創(chuàng)建的socket在內核中也會有一個struct sock結構來表示。下面是一個input函數(shù)的示例：
void input (struct sock *sk, int len)
{
struct sk_buff *skb;
struct nlmsghdr *nlh = NULL;
u8 *data = NULL;
while ((skb = skb_dequeue(&sk->receive_queue))
!= NULL) {
/* process netlink message pointed by skb->data */
nlh = (struct nlmsghdr *)skb->data;
data = NLMSG_DATA(nlh);
/* process netlink message with header pointed by
* nlh and data pointed by data
*/
}
}
函數(shù)input()會在發(fā)送進程執(zhí)行sendmsg()時被調用，這樣處理消息比較及時，但是，如果消息特別長時，這樣處理將增加系統(tǒng)調用sendmsg()的執(zhí)行時間，對于這種情況，可以定義一個內核線程專門負責消息接收，而函數(shù)input的工作只是喚醒該內核線程，這樣sendmsg將很快返回。
函數(shù)skb = skb_dequeue(&sk->receive_queue)用于取得socket sk的接收隊列上的消息，返回為一個struct sk_buff的結構，skb->data指向實際的netlink消息。
函數(shù)skb_recv_datagram(nl_sk)也用于在netlink socket nl_sk上接收消息，與skb_dequeue的不同指出是，如果socket的接收隊列上沒有消息，它將導致調用進程睡眠在等待隊列nl_sk->sk_sleep，因此它必須在進程上下文使用，剛才講的內核線程就可以采用這種方式來接收消息。
下面的函數(shù)input就是這種使用的示例：
void input (struct sock *sk, int len)
{
wake_up_interruptible(sk->sk_sleep);
}
當內核中發(fā)送netlink消息時，也需要設置目標地址與源地址，而且內核中消息是通過struct sk_buff來管理的， linux/netlink.h中定義了一個宏：
#define NETLINK_CB(skb) (*(struct netlink_skb_parms*)&((skb)->cb))
來方便消息的地址設置。下面是一個消息地址設置的例子：
NETLINK_CB(skb).pid = 0;
NETLINK_CB(skb).dst_pid = 0;
NETLINK_CB(skb).dst_group = 1;
字段pid表示消息發(fā)送者進程ID，也即源地址，對于內核，它為 0， dst_pid 表示消息接收者進程 ID，也即目標地址，如果目標為組或內核，它設置為 0，否則 dst_group 表示目標組地址，如果它目標為某一進程或內核，dst_group 應當設置為 0。
在內核中，模塊調用函數(shù) netlink_unicast 來發(fā)送單播消息：
int netlink_unicast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock);
參數(shù)sk為函數(shù)netlink_kernel_create()返回的socket，參數(shù)skb存放消息，它的data字段指向要發(fā)送的netlink消息結構，而skb的控制塊保存了消息的地址信息，前面的宏NETLINK_CB(skb)就用于方便設置該控制塊， 參數(shù)pid為接收消息進程的pid，參數(shù)nonblock表示該函數(shù)是否為非阻塞，如果為1，該函數(shù)將在沒有接收緩存可利用時立即返回，而如果為0，該函數(shù)在沒有接收緩存可利用時睡眠。
內核模塊或子系統(tǒng)也可以使用函數(shù)netlink_broadcast來發(fā)送廣播消息：
void netlink_broadcast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, int allocation);
前面的三個參數(shù)與netlink_unicast相同，參數(shù)group為接收消息的多播組，該參數(shù)的每一個代表一個多播組，因此如果發(fā)送給多個多播組，就把該參數(shù)設置為多個多播組組ID的位或。參數(shù)allocation為內核內存分配類型，一般地為GFP_ATOMIC或GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC用于原子的上下文(即不可以睡眠)，而GFP_KERNEL用于非原子上下文。
在內核中使用函數(shù)sock_release來釋放函數(shù)netlink_kernel_create()創(chuàng)建的netlink socket：
void sock_release(struct socket * sock);
注意函數(shù)netlink_kernel_create()返回的類型為struct sock，因此函數(shù)sock_release應該這種調用：
sock_release(sk->sk_socket);
sk為函數(shù)netlink_kernel_create()的返回值。
在源代碼包中給出了一個使用 netlink 的示例，它包括一個內核模塊 netlink-exam-kern.c 和兩個應用程序 netlink-exam-user-recv.c, netlink-exam-user-send.c。內核模塊必須先插入到內核，然后在一個終端上運行用戶態(tài)接收程序，在另一個終端上運行用戶態(tài)發(fā)送程序，發(fā)送程序讀取參數(shù)指定的文本文件并把它作為 netlink 消息的內容發(fā)送給內核模塊，內核模塊接受該消息保存到內核緩存中，它也通過proc接口出口到 procfs，因此用戶也能夠通過 /proc/netlink_exam_buffer 看到全部的內容，同時內核也把該消息發(fā)送給用戶態(tài)接收程序，用戶態(tài)接收程序將把接收到的內容輸出到屏幕上。
本文是系列文章的第一篇，它詳細介紹了五種用戶空間與內核空間的數(shù)據(jù)交換方式，并通過實際例子程序向讀者講解了如何在內核開發(fā)中使用這些技術，其中內核啟動參數(shù)方式是單向的，即只能向內核傳遞，而不能從內核獲取，其余的均可以進行雙向數(shù)據(jù)交換，即既可以從用戶應用傳遞給內核，有可以從內核傳遞給應用態(tài)應用。netlink 是一種雙向的數(shù)據(jù)交換方式，它使用起來非常簡單高效，特別是它的廣播特性在一些應用中非常方便。作者認為，它是所有這些用戶態(tài)與內核態(tài)數(shù)據(jù)交換方式中最有效的最強大的方式。
該系列文章的第二篇將詳細地講解另外三種用戶態(tài)與內核態(tài)的數(shù)據(jù)交換方式，包括 procfs、seq_file、debugfs 和 relayfs，有興趣的讀者請參看該系列文章第二篇。
Linux 2.6.13的內核源碼，。
內核文檔，Documentation/filesystems/sysfs.txt。
Linux Device Drivers, Third Edition, 。
內核文檔，Documentation/sysctl/*。
Linux Kernel Module Programming Guide, 。
[6] Linux 2.6.14的內核源碼，。
。
Linux Device Drivers, Third Edition, Kernel Korner - Why and How to Use Netlink Socket, 。
netlink手冊, netlink(7)。
Extending netlink, 。
楊燚，計算機科學碩士，畢業(yè)于中科院計算技術研究所，有4年的Linux內核編程經(jīng)驗，目前從事嵌入式實時Linux的開發(fā)與性能測試。您可以通過 與作者聯(lián)系。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux 内核空间 sy,在 Linux 下用户空间与内核空间数据交换的方式，第 1 部分: 内核启动参数、模块参数与sysf...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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