在 Linux 下用户空间与内核空间数据交换的方式

本系列文章包括两篇，它们文详细地介绍了Linux 系统下用户空间与内核空间数据交换的九种方式，包括内核启动参数、模块参数与sysfs、sysctl、系统调用、netlink、procfs、seq_file、debugfs和relayfs，并给出具体的例子帮助读者掌握这些技术的使用。

本文是该系列文章的第一篇，它介绍了内核启动参数、模块参数与sysfs、sysctl、系统调用和netlink，并结合给出的例子程序详细地说明了它们如何使用。

一、引言一般地，在使用虚拟内存技术的多任务系统上，内核和应用有不同的地址空间，因此，在内核和应用之间以及在应用与应用之间进行数据交换需要专门的机制来实现，众所周知，进程间通信（IPC）机制就是为实现应用与应用之间的数据交换而专门实现的，大部分读者可能对进程间通信比较了解，但对应用与内核之间的数据交换机制可能了解甚少，本文将详细介绍Linux 系统下内核与应用进行数据交换的各种方式，包括内核启动参数、模块参数与sysfs、sysctl、系统调用、netlink、procfs、seq_file、debugfs 和relayfs。

二、内核启动参数Linux 提供了一种通过bootloader 向其传输启动参数的功能，内核开发者可以通过这种方式来向内核传输数据，从而控制内核启动行为。

通常的使用方式是，定义一个分析参数的函数，而后使用内核提供的宏__setup把它注册到内核中，该宏定义在linux/init.h 中，因此要使用它必须包含该头文件：__setup("para_name=", parse_func)para_name 为参数名，parse_func 为分析参数值的函数，它负责把该参数的值转换成相应的内核变量的值并设置那个内核变量。

内核为整数参数值的分析提供了函数get_option 和get_options，前者用于分析参数值为一个整数的情况，而后者用于分析参数值为逗号分割的一系列整数的情况，对于参数值为字符串的情况，需要开发者自定义相应的分析函数。

在源代码包中的内核程序kern-boot-params.c 说明了三种情况的使用。

该程序列举了参数为一个整数、逗号分割的整数串以及字符串三种情况，读者要想测试该程序，需要把该程序拷贝到要使用的内核的源码目录树的一个目录下，为了避免与内核其他部分混淆，作者建议在内核源码树的根目录下创建一个新目录，如examples，然后把该程序拷贝到examples 目录下并重新命名为setup_example.c，并且为该目录创建一个Makefile 文件：obj-y = setup_example.oMakefile 仅许这一行就足够了，然后需要修改源码树的根目录下的Makefile文件的一行，把下面行core-y := usr/修改为core-y := usr/ examples/注意：如果读者创建的新目录和重新命名的文件名与上面不同，需要修改上面所说Makefile 文件相应的位置。

做完以上工作就可以按照内核构建步骤去构建新的内核，在构建好内核并设置好lilo或grub为该内核的启动条目后，就可以启动该内核，然后使用lilo或grub的编辑功能为该内核的启动参数行增加如下参数串：setup_example_int=1234 setup_example_int_array=100,200,300,400 setup_example_string=Thisisatest当然，该参数串也可以直接写入到lilo或grub的配置文件中对应于该新内核的内核命令行参数串中。

读者可以使用其它参数值来测试该功能。

下面是作者系统上使用上面参数行的输出：setup_example_int=1234setup_example_int_array=100,200,300,400setup_example_int_array includes 4 intergerssetup_example_string=Thisisatest读者可以使用dmesg | grep setup来查看该程序的输出。

三、模块参数与sysfs内核子系统或设备驱动可以直接编译到内核，也可以编译成模块，如果编译到内核，可以使用前一节介绍的方法通过内核启动参数来向它们传递参数，如果编译成模块，则可以通过命令行在插入模块时传递参数，或者在运行时，通过sysfs来设置或读取模块数据。

Sysfs是一个基于内存的文件系统，实际上它基于ramfs，sysfs提供了一种把内核数据结构，它们的属性以及属性与数据结构的联系开放给用户态的方式，它与kobject子系统紧密地结合在一起，因此内核开发者不需要直接使用它，而是内核的各个子系统使用它。

用户要想使用sysfs 读取和设置内核参数，仅需装载sysfs 就可以通过文件操作应用来读取和设置内核通过sysfs 开放给用户的各个参数：$ mkdir -p /sysfs$ mount -t sysfs sysfs /sysfs注意，不要把sysfs 和sysctl 混淆，sysctl 是内核的一些控制参数，其目的是方便用户对内核的行为进行控制，而sysfs 仅仅是把内核的kobject 对象的层次关系与属性开放给用户查看，因此sysfs 的绝大部分是只读的，模块作为一个kobject 也被出口到sysfs，模块参数则是作为模块属性出口的，内核实现者为模块的使用提供了更灵活的方式，允许用户设置模块参数在sysfs 的可见性并允许用户在编写模块时设置这些参数在sysfs 下的访问权限，然后用户就可以通过sysfs 来查看和设置模块参数，从而使得用户能在模块运行时控制模块行为。

对于模块而言，声明为static 的变量都可以通过命令行来设置，但要想在sysfs下可见，必须通过宏module_param 来显式声明，该宏有三个参数，第一个为参数名，即已经定义的变量名，第二个参数则为变量类型，可用的类型有byte, short, ushort, int, uint, long, ulong, charp 和bool 或invbool，分别对应于c 类型char, short, unsigned short, int, unsigned int, long, unsigned long, char * 和int，用户也可以自定义类型XXX（如果用户自己定义了param_get_XXX，param_set_XXX 和param_check_XXX）。

该宏的第三个参数用于指定访问权限，如果为0，该参数将不出现在sysfs 文件系统中，允许的访问权限为S_IRUSR，S_IWUSR，S_IRGRP，S_IWGRP，S_IROTH 和S_IWOTH 的组合，它们分别对应于用户读，用户写，用户组读，用户组写，其他用户读和其他用户写，因此用文件的访问权限设置是一致的。

在源代码包中的内核模块module-param-exam.c 是一个利用模块参数和sysfs来进行用户态与内核态数据交互的例子。

该模块有三个参数可以通过命令行设置，下面是作者系统上的运行结果示例：$ insmod ./module-param-exam.ko my_invisible_int=10 my_visible_int=20 mystring="Hello,World"my_invisible_int = 10my_visible_int = 20mystring = 'Hello,World'$ ls /sys/module/module_param_exam/parameters/mystring my_visible_int$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/mystringHello,World$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int20$ echo 2000 > /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/my_visible_int2000$ echo "abc" > /sys/module/module_param_exam/parameters/mystring$ cat /sys/module/module_param_exam/parameters/mystringabc$ rmmod module_param_exammy_invisible_int = 10my_visible_int = 2000mystring = 'abc'四、sysctlSysctl是一种用户应用来设置和获得运行时内核的配置参数的一种有效方式，通过这种方式，用户应用可以在内核运行的任何时刻来改变内核的配置参数，也可以在任何时候获得内核的配置参数，通常，内核的这些配置参数也出现在proc文件系统的/proc/sys目录下，用户应用可以直接通过这个目录下的文件来实现内核配置的读写操作，例如，用户可以通过Cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward来得知内核IP层是否允许转发IP包，用户可以通过echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward把内核IP 层设置为允许转发IP 包，即把该机器配置成一个路由器或网关。

一般地，所有的Linux 发布也提供了一个系统工具sysctl，它可以设置和读取内核的配置参数，但是该工具依赖于proc 文件系统，为了使用该工具，内核必须支持proc 文件系统。

下面是使用sysctl 工具来获取和设置内核配置参数的例子：$ sysctl net.ipv4.ip_forwardnet.ipv4.ip_forward = 0$ sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1net.ipv4.ip_forward = 1$ sysctl net.ipv4.ip_forwardnet.ipv4.ip_forward = 1注意，参数net.ipv4.ip_forward 实际被转换到对应的proc 文件/proc/sys/net/ipv4/ip_forward，选项-w 表示设置该内核配置参数，没有选项表示读内核配置参数，用户可以使用sysctl -a 来读取所有的内核配置参数，对应更多的sysctl 工具的信息，请参考手册页sysctl(8)。