用户空间与内核的交互---IOCTL

        在procfs一节中我们提到过ioctl，它的作用编写过驱动和从事过网络编程的人，一定不会陌生. 就是由于它架构的思路的精妙之处，屏蔽了大量抽象的东西.这里我们就分析下它的使用和架构，当然这里不会分析ioctl系统调用的实现.这里参考资料有《linux设备驱动程序》，《深入理解linux网络技术内幕》 ，当然也少不了网上好的文章和帖子.

       或许我们最熟悉就是文件的操作，文件有read、write当然还有其他一些的操作，这里的工作就给了ioctl. 这里我们首先说一下驱动程序里关于ioctl函数的使用. 

       这里举一个网络设备的例子： 比如我们创建一个gre接口，在内核里（内核版本3.1.1）net/ipv4/ip_gre.c中 我们看它的内核启动必须初始化的部分：

        module_init(ipgre_init); 

       我们展开 ipgre_init函数：

/*
 *	And now the modules code and kernel interface.
 */

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;
}

这里我们只关心 register_pernet_device(&ipgre_net_ops); 故名思意它会注册一个网络设备

我们看看ipgre_net_ops的初始化

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

这里我们看内核必须初始化的部分 .init = ipgre_init_net ：

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;
	}
......

 这里创建gre0接口，并用 ipgre_tunnel_setup来完成部分初始化工作.

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;
}

这里ipgre_netdev_ops 即完成了设备相关的操作函数的初始化（如果用户空间调用就会调用相应的函数）

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,
};

 我们看到了关于设备ioctl的初始化.对没错. 这里内核已经很好的把底层具体的ioctl操作和gre0设备关联了起来.

 下面就看看用户空间如何调用：

 这里简单的说明下：

 /* test */

 int fd;

 struct ifreq ifr;

 fd= open("/dev/gre0");

 if(fd < 0 ) return -1;

 ...

 if( ioctl(fd,SIOCGETTUNNEL,&ifr))

 ..... 

 当然用户空间也要有SIOCGETTUNNEL的定义 ，内核空间的是在include/linux/if_tunnel.h中定义.这里所说是驱动里私有的ioctl的使用.

 #define SIOCGETTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 0) 

#define SIOCADDTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 1)

 #define SIOCDELTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 2)

......

#define SIOCCHG6RD (SIOCDEVPRIVATE + 11)

 在linux系统默认给dev预留了16个私有的ioctl，在include/linux/sockios.h中

/* Device private ioctl calls */

/*
 *	These 16 ioctls are available to devices via the do_ioctl() device
 *	vector. Each device should include this file and redefine these names
 *	as their own. Because these are device dependent it is a good idea
 *	_NOT_ to issue them to random objects and hope.
 *
 *	THESE IOCTLS ARE _DEPRECATED_ AND WILL DISAPPEAR IN 2.5.X -DaveM
 */
 
#define SIOCDEVPRIVATE	0x89F0	/* to 89FF */

 但是在实际情况中这个16个并不够用，或者会产生混乱或者冲突，所以在驱动中还有另外一种定义和实现方法，也更为常用： 即通用驱动ioctl的实现方法：

     IO（type,nr）,_IOR(type,nr,datatype),_IOW(type,nr,datatype)。它们在包含的中有定义，所以在我们的驱动中应包含这个头文件。其中＿IO（）用做无参数的命令编号，＿IOR（）用做从驱动中读取数据的命令编号，＿IOW（）用做写入数据命令。 LDD中用：define SCULL_IOC_MAGIC 'k' ,define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)表示SCULL_IOCSQUANTUM命令编号为向驱动中写数据，命令编号为1，传送参数类型为int.

     下面就看一下简单的使用方法：

 #define MY_MAGIC 'k' 

 #define MY_GDEVNAME _IOR(MY_MAGIC, 1,int)

 当然这个定义需要内核和用户空间都有定义. 这里不再详述，具体请阅读ldd3 第六章高级字符驱动程序操作一章.

 这里分析当然会有不到之处，仅作为好的学习的开始.

 当然上面主要说明了驱动中ioctl的使用，也就不得不说下网络编程中ioctl的使用，对于网络编程中自定义这里不再说明.

 这里仅就已经有的很多命令调用做一个简单的总结. 

 具体的定义在include/linux/sockios.h中

 ioctl 函数

 本函数影响由fd 参数引用的一个打开的文件。

 #include int ioctl( int fd, int request, ... ); 

返回0 ：成功

 -1 ：出错

 第三个参数总是一个指针，但指针的类型依赖于request 参数。 

我们可以把和网络相关的请求划分为6 类：

 套接口操作

 文件操作

 接口操作 

ARP 

高速缓存操作 

路由表操作

 流系统

 具体的使用和分类请参考《unix网络编程》.下面贴出网络ioctl调用流程图： 

 

这样ioctl就统一了起来，驱动的ioctl和网络的ioctl.其实实现思路都是一样的，见开始gre0部分的实现.