使用ioctl与内核交换数据

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1. 前言
 
使用ioctl系统调用是用户空间向内核交换数据的常用方法之一，从ioctl这个名称上看，本意是针对I/O设备进行的控制操作，但实际并不限制是真正的I/O设备，可以是任何一个内核设备即可。

2. 基本过程
 
在内核空间中ioctl是很多内核操作结构的一个成员函数，如文件操作结构struct file_operations(include/linux/fs.h)、协议操作结构struct proto_ops(include/linux/net.h)等、tty操作结构struct tty_driver(include/linux/tty_driver.h)等，而这些操作结构分别对应各种内核设备，只要在用户空间打开这些设备，如I/O设备可用open(2)打开，网络协议可用socket(2)打开等，获取一个文件描述符后，就可以在这个描述符上调用ioctl(2)来向内核交换数据。
 
3. ioctl(2)
 
ioctl(2)函数的基本使用格式为：
int ioctl(int fd, int cmd, void *data)
第一个参数是文件描述符；cmd是操作命令，一般分为GET、SET以及其他类型命令，GET是用户空间进程从内核读数据，SET是用户空间进程向内核写数据，cmd虽然是一个整数，但是有一定的参数格式的，下面再详细说明；第三个参数是数据起始位置指针，
cmd命令参数是个32位整数，分为四部分：
dir(2b)  size(14b)  type(8b) nr(8b)
详细定义cmd要包括这4个部分时可使用宏_IOC(dir,type,nr,size)来定义，而最简单情况下使用_IO(type, nr)来定义就可以了，这些宏都在include/asm/ioctl.h中定义
本文cmd定义为：
#define NEWCHAR_IOC_MAGIC   'M'
#define NEWCHAR_SET    _IO(NEWCHAR_IOC_MAGIC, 0)
#define NEWCHAR_GET    _IO(NEWCHAR_IOC_MAGIC, 1)
#define NEWCHAR_IOC_MAXNR   1

要定义自己的ioctl操作，可以有两个方式，一种是在现有的内核代码中直接添加相关代码进行支持，比如想通过socket描述符进行 ioctl操作，可在net/ipv4/af_inet.c中的inet_ioctl()函数中添加自己定义的命令和相关的处理函数，重新编译内核即可，不过这种方法一般不推荐；第二种方法是定义自己的内核设备，通过设备的ioctl()来操作，可以编成模块，这样不影响原有的内核，这是最通常的做法。
 
4. 内核设备
 
为进行ioctl操作最通常是使用字符设备来进行，当然定义其他类型的设备也可以。在用户空间，可使用mknod命令建立一个字符类型设备文件，假设该设备的主设备号为123，次设备号为0：
mknode /dev/newchar c 123 0
如果是编程的话，可以用mknode(2)函数来建立设备文件。
 
建立设备文件后再将该设备的内核模块文件插入内核，就可以使用open(2)打开/dev/newchar文件，然后调用ioctl(2)来传递数据，最后用close(2)关闭设备。而如果内核中还没有插入该设备的模块，open(2)时就会失败。
 
由于内核内存空间和用户内存空间不同，要将内核数据拷贝到用户空间，要使用专用拷贝函数copy_to_user()；要将用户空间数据拷贝到内核，要使用copy_from_user()。
要最简单实现以上功能，内核模块只需要实现设备的open, ioctl和release三个函数即可，
下面介绍程序片断：
static int newchar_ioctl(struct inode *inode, struct file *filep,
   unsigned int cmd, unsigned long arg);
static int newchar_open(struct inode *inode, struct file *filep);
static int newchar_release(struct inode *inode, struct file *filep);
// 定义文件操作结构，结构中其他元素为空
struct file_operations newchar_fops =
{
 owner:  THIS_MODULE,
 ioctl:  newchar_ioctl,
 open:  newchar_open,
 release: newchar_release,
};
// 定义要传输的数据块结构
struct newchar{
 int a;
 int b;
};
#define MAJOR_DEV_NUM 123
#define DEVICE_NAME "newchar"
 
打开设备，非常简单，就是增加模块计数器，防止在打开设备的情况下删除模块,
当然想搞得复杂的话可进行各种限制检查，如只允许指定的用户打开等：
static int newchar_open(struct inode *inode, struct file *filep)
{
 MOD_INC_USE_COUNT;
 return 0;
}

关闭设备，也很简单，减模块计数器：
static int newchar_release(struct inode *inode, struct file *filep)
{
 MOD_DEC_USE_COUNT;
 return 0;
}

进行ioctl调用的基本处理函数
static int newchar_ioctl(struct inode *inode, struct file *filep,
      unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
 int  ret;
// 首先检查cmd是否合法
 if (_IOC_TYPE(cmd) != NEWCHAR_IOC_MAGIC) return -EINVAL;
 if (_IOC_NR(cmd) > NEWCHAR_IOC_MAXNR) return -EINVAL;
// 错误情况下的缺省返回值
 ret = EINVAL;
 switch(cmd)
 {
 case KNEWCHAR_SET:
// 设置操作，将数据从用户空间拷贝到内核空间
  {
   struct  newchar  nc;
   if(copy_from_user(&nc, (const char*)arg, sizeof(nc)) != 0)
    return -EFAULT;
   ret = do_set_newchar(&nc);
  }
  break;
 case KNEWCHAR_GET:
// GET操作通常会在数据缓冲区中先传递部分初始值作为数据查找条件，获取全部
// 数据后重新写回缓冲区
// 当然也可以根据具体情况什么也不传入直接向内核获取数据
  {
   struct  newchar  nc;
   if(copy_from_user(&nc, (const char*)arg, sizeof(nc)) != 0)
    return -EFAULT;
   ret = do_get_newchar(&nc);
   if(ret == 0){
    if(copy_to_user((unsigned char *)arg, &nc, sizeof(nc))!=0)
     return -EFAULT;
   }
  }
  break;
 }
 return ret;
}
模块初始化函数，登记字符设备
static int __init _init(void)
{
 int  result;
// 登记该字符设备，这是2.4以前的基本方法，到2.6后有了些变化，
// 是使用MKDEV和cdev_init()来进行，本文还是按老方法
 result = register_chrdev(MAJOR_DEV_NUM, DEVICE_NAME, &newchar_fops);
 if (result < 0) {
  printk(KERN_WARNING __FUNCTION__ ": failed register character device for /dev/newchar\n");
  return result;
 }
 return 0;
}

模块退出函数，登出字符设备
static void __exit _cleanup(void)
{
 int  result;
 result = unregister_chrdev(MAJOR_DEV_NUM, DEVICE_NAME);
 if (result < 0)
  printk(__FUNCTION__ ": failed unregister character device for /dev/newchar\n");
 return;
}
module_init(_init);
module_exit(_cleanup);
 
5. 结论
 
用ioctl()在用户空间和内核空间传递数据是最常用方法之一，比较简单方便，而且可以在同一个ioctl中对不同的命令传送不同的数据结构，本文只是为描述方便而在不同命令中使用了相同的数据结构。