使用者空間與核心的互動---IOCTL

    在procfs一節中我們提到過ioctl，它的作用編寫過驅動和從事過網絡程式設計的人，一定不會陌生. 就是由于它架構的思路的精妙之處，屏蔽了大量抽象的東西.這裡我們就分析下它的使用和架構，當然這裡不會分析ioctl系統調用的實作.這裡參考資料有《linux裝置驅動程式》，《深入了解linux網絡技術内幕》 ，當然也少不了網上好的文章和文章.

       或許我們最熟悉就是檔案的操作，檔案有read、write當然還有其他一些的操作，這裡的工作就給了ioctl. 這裡我們首先說一下驅動程式裡關于ioctl函數的使用. 

       這裡舉一個網絡裝置的例子： 比如我們建立一個gre接口，在核心裡（核心版本3.1.1）net/ipv4/ip_gre.c中 我們看它的核心啟動必須初始化的部分：

        module_init(ipgre_init); 

       我們展開 ipgre_init函數：

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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; }

這裡我們隻關心 register_pernet_device(&ipgre_net_ops); 故名思意它會注冊一個網絡裝置

我們看看ipgre_net_ops的初始化

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

這裡我們看核心必須初始化的部分 .init = ipgre_init_net ：

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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; } ......

 這裡建立gre0接口，并用 ipgre_tunnel_setup來完成部分初始化工作.

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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; }

這裡ipgre_netdev_ops 即完成了裝置相關的操作函數的初始化（如果使用者空間調用就會調用相應的函數）

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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, };

 我們看到了關于裝置ioctl的初始化.對沒錯. 這裡核心已經很好的把底層具體的ioctl操作和gre0裝置關聯了起來.

 下面就看看使用者空間如何調用：

 這裡簡單的說明下：

 int fd;

 struct ifreq ifr;

 fd= open("/dev/gre0");

 if(fd < 0 ) return -1;

 ...

 if( ioctl(fd,SIOCGETTUNNEL,&ifr))

 ..... 

 當然使用者空間也要有SIOCGETTUNNEL的定義 ，核心空間的是在include/linux/if_tunnel.h中定義.這裡所說是驅動裡私有的ioctl的使用.

 #define SIOCGETTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 0) 

#define SIOCADDTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 1)

 #define SIOCDELTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 2)

......

#define SIOCCHG6RD (SIOCDEVPRIVATE + 11)

 在linux系統預設給dev預留了16個私有的ioctl，在include/linux/sockios.h中

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#define SIOCDEVPRIVATE  0x89F0

 但是在實際情況中這個16個并不夠用，或者會産生混亂或者沖突，是以在驅動中還有另外一種定義和實作方法，也更為常用： 即通用驅動ioctl的實作方法：

     IO（type,nr）,_IOR(type,nr,datatype),_IOW(type,nr,datatype)。它們在<linux/ioctl.h>包含的<asm/ioctl.h>中有定義，是以在我們的驅動中應包含這個頭檔案。其中＿IO（）用做無參數的指令編号，＿IOR（）用做從驅動中讀取資料的指令編号，＿IOW（）用做寫入資料指令。 LDD中用：define SCULL_IOC_MAGIC 'k' ,define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)表示SCULL_IOCSQUANTUM指令編号為向驅動中寫資料，指令編号為1，傳送參數類型為int.

     下面就看一下簡單的使用方法：

 #define MY_MAGIC 'k' 

 #define MY_GDEVNAME _IOR(MY_MAGIC, 1,int)

 當然這個定義需要核心和使用者空間都有定義. 這裡不再詳述，具體請閱讀ldd3 第六章進階字元驅動程式操作一章.

 這裡分析當然會有不到之處，僅作為好的學習的開始.

 當然上面主要說明了驅動中ioctl的使用，也就不得不說下網絡程式設計中ioctl的使用，對于網絡程式設計中自定義這裡不再說明.

 這裡僅就已經有的很多指令調用做一個簡單的總結. 

 具體的定義在include/linux/sockios.h中

 ioctl 函數

 本函數影響由fd 參數引用的一個打開的檔案。

 #include<unistd.h> int ioctl( int fd, int request, ... ); 

傳回0 ：成功

 -1 ：出錯

 第三個參數總是一個指針，但指針的類型依賴于request 參數。 

我們可以把和網絡相關的請求劃分為6 類：

 套接口操作

 檔案操作

 接口操作 

ARP 

高速緩存操作 

路由表操作

 流系統

 具體的使用和分類請參考《unix網絡程式設計》.下面貼出網絡ioctl調用流程圖： 

這樣ioctl就統一了起來，驅動的ioctl和網絡的ioctl.其實實作思路都是一樣的，見開始gre0部分的實作.

來源：http://blog.chinaunix.net/uid-20786208-id-3479965.html