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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。