用户空间与内核的交互---IOCTL

最新推荐文章于 2024-12-31 08:45:00 发布

转载最新推荐文章于 2024-12-31 08:45:00 发布 · 587 阅读

linux 专栏收录该内容

53 篇文章

订阅专栏

本文深入分析了Linux内核中ioctl函数的使用和架构，以网络设备gre0为例，详细阐述了其在驱动程序和网络编程中的应用。通过解析内核源码，展示了ioctl函数在设备初始化、设备操作以及网络接口配置中的作用，同时介绍了ioctl在用户空间的调用方式及驱动中自定义ioctl的实现方法。最后总结了ioctl函数在Linux系统中的分类与用途。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

在procfs一节中我们提到过ioctl，它的作用编写过驱动和从事过网络编程的人，一定不会陌生. 就是由于它架构的思路的精妙之处，屏蔽了大量抽象的东西.这里我们就分析下它的使用和架构，当然这里不会分析ioctl系统调用的实现.这里参考资料有《linux设备驱动程序》，《深入理解linux网络技术内幕》，当然也少不了网上好的文章和帖子.

或许我们最熟悉就是文件的操作，文件有read、write当然还有其他一些的操作，这里的工作就给了ioctl. 这里我们首先说一下驱动程序里关于ioctl函数的使用.

这里举一个网络设备的例子：比如我们创建一个gre接口，在内核里（内核版本3.1.1）net/ipv4/ip_gre.c中我们看它的内核启动必须初始化的部分：

module_init(ipgre_init);

我们展开 ipgre_init函数：

/*
 *  And now the modules code and kernel interface.
 */
 
static
int __init ipgre_init(void)
{
    int
err;
 
    printk(KERN_INFO
"GRE over IPv4 tunneling driver\\n");
 
    err = register_pernet_device(&ipgre_net_ops);
    if
(err < 0)
        return
err;
 
    err = gre_add_protocol(&ipgre_protocol, GREPROTO_CISCO);
    if
(err < 0) {
        printk(KERN_INFO
"ipgre init: can't add protocol\\n");
        goto
add_proto_failed;
    }
 
    err = rtnl_link_register(&ipgre_link_ops);
    if
(err < 0)
        goto
rtnl_link_failed;
 
    err = rtnl_link_register(&ipgre_tap_ops);
    if
(err < 0)
        goto
tap_ops_failed;
 
out:
    return
err;
 
tap_ops_failed:
    rtnl_link_unregister(&ipgre_link_ops);
rtnl_link_failed:
    gre_del_protocol(&ipgre_protocol, GREPROTO_CISCO);
add_proto_failed:
    unregister_pernet_device(&ipgre_net_ops);
    goto
out;
}

这里我们只关心 register_pernet_device(&ipgre_net_ops); 故名思意它会注册一个网络设备

我们看看ipgre_net_ops的初始化

static
struct pernet_operations ipgre_net_ops = {
    .init = ipgre_init_net,
    .exit
= ipgre_exit_net,
    .id   = &ipgre_net_id,
    .size =
sizeof(struct
ipgre_net),
};

这里我们看内核必须初始化的部分 .init = ipgre_init_net ：

static
int __net_init ipgre_init_net(struct
net *net)
{
    struct
ipgre_net *ign = net_generic(net, ipgre_net_id);
    int
err;
 
    ign->fb_tunnel_dev = alloc_netdev(sizeof(struct
ip_tunnel), "gre0",
                       ipgre_tunnel_setup);
    if
(!ign->fb_tunnel_dev) {
        err = -ENOMEM;
        goto
err_alloc_dev;
    }
......

这里创建gre0接口，并用 ipgre_tunnel_setup来完成部分初始化工作.

static
void ipgre_tunnel_setup(struct
net_device *dev)
{
    dev->netdev_ops      = &ipgre_netdev_ops;
    dev->destructor  = ipgre_dev_free;
 
    dev->type        = ARPHRD_IPGRE;
    dev->needed_headroom     = LL_MAX_HEADER +
sizeof(struct
iphdr) + 4;
    dev->mtu     = ETH_DATA_LEN -
sizeof(struct
iphdr) - 4;
    dev->flags       = IFF_NOARP;
    dev->iflink      = 0;
    dev->addr_len        = 4;
    dev->features        |= NETIF_F_NETNS_LOCAL;
    dev->priv_flags      &= ~IFF_XMIT_DST_RELEASE;
}

这里ipgre_netdev_ops 即完成了设备相关的操作函数的初始化（如果用户空间调用就会调用相应的函数）

static
const struct
net_device_ops ipgre_netdev_ops = {
    .ndo_init       = ipgre_tunnel_init,
    .ndo_uninit     = ipgre_tunnel_uninit,
#ifdef CONFIG_NET_IPGRE_BROADCAST
    .ndo_open       = ipgre_open,
    .ndo_stop       = ipgre_close,
#endif
    .ndo_start_xmit     = ipgre_tunnel_xmit,
    .ndo_do_ioctl       = ipgre_tunnel_ioctl,
    .ndo_change_mtu     = ipgre_tunnel_change_mtu,
    .ndo_get_stats      = ipgre_get_stats,
};

我们看到了关于设备ioctl的初始化.对没错. 这里内核已经很好的把底层具体的ioctl操作和gre0设备关联了起来.

下面就看看用户空间如何调用：

这里简单的说明下：

/* test */

int fd;

struct ifreq ifr;

fd= open("/dev/gre0");

if(fd < 0 ) return -1;

...

if( ioctl(fd,SIOCGETTUNNEL,&ifr))

.....

当然用户空间也要有SIOCGETTUNNEL的定义，内核空间的是在include/linux/if_tunnel.h中定义.这里所说是驱动里私有的ioctl的使用.

#define SIOCGETTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 0)

#define SIOCADDTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 1)

#define SIOCDELTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 2)

......

#define SIOCCHG6RD (SIOCDEVPRIVATE + 11)

在linux系统默认给dev预留了16个私有的ioctl，在include/linux/sockios.h中

/* Device private ioctl calls */
 
/*
 *  These 16 ioctls are available to devices via the do_ioctl() device
 *  vector. Each device should include this file and redefine these names
 *  as their own. Because these are device dependent it is a good idea
 *  _NOT_ to issue them to random objects and hope.
 *
 *  THESE IOCTLS ARE _DEPRECATED_ AND WILL DISAPPEAR IN 2.5.X -DaveM
 */
  
#define SIOCDEVPRIVATE  0x89F0  /* to 89FF */

但是在实际情况中这个16个并不够用，或者会产生混乱或者冲突，所以在驱动中还有另外一种定义和实现方法，也更为常用：即通用驱动ioctl的实现方法：

IO（type,nr）,_IOR(type,nr,datatype),_IOW(type,nr,datatype)。它们在包含的中有定义，所以在我们的驱动中应包含这个头文件。其中＿IO（）用做无参数的命令编号，＿IOR（）用做从驱动中读取数据的命令编号，＿IOW（）用做写入数据命令。 LDD中用：define SCULL_IOC_MAGIC 'k' ,define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)表示SCULL_IOCSQUANTUM命令编号为向驱动中写数据，命令编号为1，传送参数类型为int.

下面就看一下简单的使用方法：

#define MY_MAGIC 'k'

#define MY_GDEVNAME _IOR(MY_MAGIC, 1,int)

当然这个定义需要内核和用户空间都有定义. 这里不再详述，具体请阅读ldd3 第六章高级字符驱动程序操作一章.

这里分析当然会有不到之处，仅作为好的学习的开始.

当然上面主要说明了驱动中ioctl的使用，也就不得不说下网络编程中ioctl的使用，对于网络编程中自定义这里不再说明.

这里仅就已经有的很多命令调用做一个简单的总结.

具体的定义在include/linux/sockios.h中

ioctl 函数

本函数影响由fd 参数引用的一个打开的文件。

#include int ioctl( int fd, int request, ... );

返回0 ：成功