基于Linux的内核空间与用户空间的通信方式研究

Bertha 。 2024-04-03 09:20 53阅读 0赞

目录  
第一章 引言 1  
1.1 Linux内核通信简介 1  
1.2 本文的主要工作 1  
第二章 Linux内核概述 3  
2.1 内核空间和用户空间 3  
2.2 内核态与用户态 4  
2.3 Linux 内核模块的运行环境与传统进程间通信 4  
第三章 八种通信方式 6  
3.1 内核启动参数 6  
3.2 模块参数和sysfs 7  
3.3 Sysctl 9  
3.4 系统调用 11  
3.5 Netlink 14  
3.6 Procfs 16  
3.7 seq\_file 18  
3.8 debugfs 21  
第四章 八种通信方式的优劣对比 24  
第五章 总结 27  
参考文献 28  
附录 29  
附录一、内核启动参数源代码 29  
附录二、NetLink 源代码 30  
附录三、Seq\_file 源代码 35  
为了调查研究Linux内核空间与用户空间的通信方式，本文首先将了解Linux内核对内存空间的划分情况；接着介绍Linux内核间通信与传统进程间的通信有何异同，包括传统的进程间通信为什么不能用于内核间通信；为了进行通信测试，本文还将研究Linux内核的编译方法和内核程序的编写，以及Linux内核模块的运行环境；本文最主要的内容是介绍八种通信方式原理及其实现，并全部在Linux3.2.1内核版本中测试成功，并且对这八种通信方式进行了研究对比，对比的内容主要包括每种通信相对其它通信方式的不足和优势，而正是这些不足和优势使得每一种通信方式都有其合适的应用场景，这些场景覆盖了Linux内核工作的方方面面，得以让我们能够使用如此优秀的Linux内核。  
系统调用在内核中实现，通过一定的方式提供用户使用，是内核提供给应用程序的接口，用户程序一般通过调用系统调用来对底层硬件进行操作。  
一般用户程序工作在用户态，当用户程序需要使用系统资源的时候，便可以通过系统调用让自己进入内核态。系统调用其本质是内核为用户特别开放的一个中断，例如Linux内核就是使用的int 80h中断。  
中断一般会有中断号和中断处理程序，不同的中断具有不同的中断号，不同的中断号又对应着不同的中断处理程序。内核维护着一个中断向量表，这个向量表的第n项包含了指向中断号为n的中断处理程序的指针。当中断到来的，cpu会暂停当前执行的代码，根据中断号在中断向量表中找到对应的中断处理程序并调用。中断处理程序执行完成之后，cpu会继续执行之前暂停的代码。  
通常意义上，本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=14546中断有两种类型，一种为硬件中断，另一种为软件中断。由于中断号是有限的，操作系统不会舍得用一个中断号来对应一个系统调用，而更倾向于用一个或少数几个中断号来对应所有的系统调用。比如Linux使用int0x80，Windows使用int0x2e。这样中断号只有一个，因此需要一个系统调用号来区分不同的系统调用，这个系统调用号通常就是系统调用在系统调用表中的位置，一般在执行int命令前会被放置在某个固定的寄存器里，对应的中断代码会取得这个系统调用号，并调用正确的函数，目前在Linux3.2.1内核中系统调用号已经用到了348，如果在增加一个系统调用函数，则可以使用349。  
下面的例子便是通过在linux内核中自定义增加一个系统调用函数\[11\]，然后通过用户程序调用，实现用户空间和内核空间的数据通信的。  
首先在内核源码kernel目录下新加了一个内核程序mysyscall.c，内容如下：

#include <linux/kernel.h>
    asmlinkage long sys_mysyscall(int number,char *str){
        
            printk(KERN_ALERT "Mysyscall the args is : %d,%s\n",number,str);
            return number;
    }
    所做的事情就是在内核中输出用户程序传过来的参数，并返回用户的一个参数。然后就是在kernel/Makefile中添加一行：
    obj-y += mysyscall.o
    在头文件include/linux/syscalls.h中加入：
    asmlinkage long sys_mysyscall(int number,char *str);
    在arch/x86/kernel/syscall_table_32.S中加入：
    .long sys_mysyscall
    在arch/x86/ia32/ia32entry.S中加入：
    .quad sys_mysyscall
    为系统调用程序分配一个系统调用号，在arch/x86/include/asm/unistd_32.h中设置：
    #define __NR_mysyscall 349
    #define NR_syscalls 350
    __NR_mysyscall就是这个系统调用程序的系统调用号，NR_syscalls是系统调用函数的总数。
    编译内核并安装重启之后就可以测试了，下面是测试函数：
    int main(){
        
    	char *str = "message from user-space!";
            printf("%ld\n", syscall(349,20,str));
            return 0;
    }
    测试函数syscall的第一个参数是系统调用号，后面的参数便是系统调用函数的参数，测试结果如下：
    $ ./syscall
    20
    $ dmesg | grep Mysyscall
    Mysyscall the args is : 20,message from user-space!

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