1. 前言
Linux内核空间与用户空间的通信可通过"/proc"目录的文件读写来实现，如果只是控制内核中的参数而不是传输较多数据的话，用“/proc”是很合适的。另外一种内核与用户空间通信方式方式是使用内核设备的读写或IOCTL来实现，以后再介绍。
2. /proc概述
/proc目录是系统模拟出来的一个文件系统，本身并不存在于磁盘上，其中的文件都表示内核参数的信息，这些信息分两类，一类是可都可写的，这类参数都在“/proc/sys”目录下，另一类是只读的，就是“/proc/sys”目录之外的其他目录和文件，当然这只是一种惯例，实际在其他目录下建立可读写的/proc文件也是可以的。
操作/proc目录不需要特殊工具，在用户层看来就是一普通文件，在shell中用“cat”命令进行查看，用“echo”命令来写文件信息。
Linux内核在2.4以后/proc目录文件的建立已经变得很容易，以前版本都还需要构造文件操作结构来实现，现在只需要调用简单函数就可以了。/proc文件通过是create_proc_entry()函数来建立，使用remove_proc_entry()函数来删除，建立新目录可以通过proc_mkdir()函数调用，这些函数在fs/proc/generic.c中定义，通常我们不必直接使用create_proc_entry()函数来建立，而是通过这个函数的包裹函数来实现。
3. 只读/proc文件
内核编译选项要设置CONFIG_PROC_FS。
3.1 建立/proc只读项
只读的/proc文件可以通过create_proc_read_entry()或create_proc_info_entry()函数来建立，在模块初始化时调用，：
/* include/linux/proc_fs.h */
static inline struct proc_dir_entry *create_proc_read_entry(const char *name,
mode_t mode, struct proc_dir_entry *base,
read_proc_t *read_proc, void * data)
{
struct proc_dir_entry *res=create_proc_entry(name,mode,base);
if (res) {
res->read_proc=read_proc;
res->data=data;
}
return res;
}
该函数需要5个参数：
name：要建立的文件名
mode：文件模式
base：所在的目录
read_proc：这是个函数指针，表示读取文件内容的函数
data：传递给read_proc函数的用户参数指针
static inline struct proc_dir_entry *create_proc_info_entry(const char *name,
mode_t mode, struct proc_dir_entry *base, get_info_t *get_info)
{
struct proc_dir_entry *res=create_proc_entry(name,mode,base);
if (res) res->get_info=get_info;
return res;
}
该函数需要4个参数：
name：要建立的文件名
mode：文件模式
base：所在的目录
get_info：这是个函数指针，表示读取文件内容的函数，这个函数比上面的read_proc函数少一个用户输入参数
对于base，内核已经预定义了一些目录/proc/net, /procbus, /proc/fs, /proc/driver, 这些是在fs/proc/root.c中定义的：
struct proc_dir_entry *proc_net, *proc_bus, *proc_root_fs, *proc_root_driver;
3.2 删除/proc只读项
只读的/proc文件可以通过remove_proc_entry()函数来建立，在模块删除时调用，该函数在fs/proc/generic.c中定义：
void remove_proc_entry(const char *name, struct proc_dir_entry *parent)
该函数需要2个参数：
name：要建立的文件名
parent：父目录
3.3 网络相关/proc的建立和删除
对于网络参数(/proc/net)，内核更提供了proc_net_create()和proc_net_remove()包裹函数来建立和删除/proc/net文件：
static inline struct proc_dir_entry *proc_net_create(const char *name,
mode_t mode, get_info_t *get_info)
{
return create_proc_info_entry(name,mode,proc_net,get_info);
}
static inline void proc_net_remove(const char *name)
{
remove_proc_entry(name,proc_net);
}
proc_net就是已经预定义好的"/proc/net"目录的指针，这样在建立网络部分的只读文件时就直接调用这两个函数就可以了。
3.4 举例
net/ipv4/af_inet.c:
...
// 建立/proc/net/netstat文件
proc_net_create ("netstat", 0, netstat_get_info);
...
netstat_get_info()函数在net/ipv4/proc.c文件中定义，函数的参数格式是固定的：
//buffer是数据输出的缓冲区，要输出的数据都写到这个缓冲区；
//start用来返回buffer中起始数据的位置；
//offset指定偏移start所指数据相对buffer起点的偏移，实际start是通过buffer和
//offset计算出来的；
//length表示buffer的长度，是由内核自己分配的，编程时要检查向缓冲区写的数据长度
//是否超过length规定的限值。
int netstat_get_info(char *buffer, char **start, off_t offset, int length)
{
int len, i;
// len记录写入缓冲区的数据长度，所有数据长度都要累加
len = sprintf(buffer,
"TcpExt: SyncookiesSent SyncookiesRecv SyncookiesFailed"
" EmbryonicRsts PruneCalled RcvPruned OfoPruned"
" OutOfWindowIcmps LockDroppedIcmps ArpFilter"
" TW TWRecycled TWKilled"
" PAWSPassive PAWSActive PAWSEstab"
" DelayedACKs DelayedACKLocked DelayedACKLost"
" ListenOverflows ListenDrops"
" TCPPrequeued TCPDirectCopyFromBacklog"
" TCPDirectCopyFromPrequeue TCPPrequeueDropped"
" TCPHPHits TCPHPHitsToUser"
" TCPPureAcks TCPHPAcks"
" TCPRenoRecovery TCPSackRecovery"
" TCPSACKReneging"
" TCPFACKReorder TCPSACKReorder TCPRenoReorder TCPTSReorder"
" TCPFullUndo TCPPartialUndo TCPDSACKUndo TCPLossUndo"
" TCPLoss TCPLostRetransmit"
" TCPRenoFailures TCPSackFailures TCPLossFailures"
" TCPFastRetrans TCPForwardRetrans TCPSlowStartRetrans"
" TCPTimeouts"
" TCPRenoRecoveryFail TCPSackRecoveryFail"
" TCPSchedulerFailed TCPRcvCollapsed"
" TCPDSACKOldSent TCPDSACKOfoSent TCPDSACKRecv TCPDSACKOfoRecv"
" TCPAbortOnSyn TCPAbortOnData TCPAbortOnClose"
" TCPAbortOnMemory TCPAbortOnTimeout TCPAbortOnLinger"
" TCPAbortFailed TCPMemoryPressures\n"
"TcpExt:");
for (i=0; i len += sprintf(buffer+len, " %lu", fold_field((unsigned long*)net_statistics, sizeof(struct linux_mib), i));
len += sprintf (buffer + len, "\n");
if (offset >= len)
{
*start = buffer;
return 0;
}
//计算数据起始指针
*start = buffer + offset;
len -= offset;
// 检查写入的长度是否溢出
if (len > length)
len = length;
if (len < 0)
len = 0;
return len;
}
4. 可读写的/proc文件
要支持可读写的/proc，内核编译选项要设置CONFIG_SYSCTL。
可读写/proc文件按惯例通常放在/proc/sys目录下，这些文件对应的内核参数或者是全局变量，或者是动态分配的内存空间，不能是临时变量。
4.1 建立函数
建立可读写的/proc文件使用register_sysctl_table()函数来登记，该函数在kernel/sysctl.c中定义，声明如下:
struct ctl_table_header *register_sysctl_table(ctl_table * table, int insert_at_head);
该函数返回一个struct ctl_table_header结构的指针，在释放时使用；
该函数第一个参数table是sysctl控制表，定义如下：
/* include/linux/sysctl.h */
typedef struct ctl_table ctl_table;
struct ctl_table
{
int ctl_name; /* 数值表示的该项的ID */
const char *procname; /* 名称 */
void *data; /* 对于的内核参数 */
int maxlen; /* 该参数所占的存储空间 */
mode_t mode; /* 权限模式：rwxrwxrwx */
ctl_table *child; /* 子目录表 */
proc_handler *proc_handler; /* 读写数据处理的回调函数 */
ctl_handler *strategy; /* 读/写时的回调函数,是对数据的预处理，
该函数是在读或写操作之前执行，该函数返回值
<0表示出错；==0表示正确，继续读或写；>0表
示读/写操作已经在函数中完成，可以直接返回了*/
struct proc_dir_entry *de; /* /proc控制块指针 */
void *extra1; /* 额外参数，常在设置数据范围时用来表示最大最小值 */
void *extra2;
};
注意该结构中的第6个参数子目录表，这使得该表成为树型结构。
第二个参数表示链表的插入方式，是插入到链表头还是链表尾；
由此可知重要的是struct ctl_table结构的填写，而最重要的是结构项proc_handler，该函数处理数据的输入和输出，如果不是目录而是文件，该项是不可或缺的。早期内核版本中这些都需要单独编写，现在2.4以后内核提供了一些函数可以完成大部分的数据输入输出功能：
// 处理字符串数据
extern int proc_dostring(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理整数向量
extern int proc_dointvec(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理整数向量,但init进程处理时稍有区别
extern int proc_dointvec_bset(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理最大最小值形式的整数向量
extern int proc_dointvec_minmax(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理最大最小值形式的无符合长整数向量
extern int proc_doulongvec_minmax(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理整数向量,但用户数据作为秒数,转化为jiffies值,常用于时间控制
extern int proc_dointvec_jiffies(ctl_table *, int, struct file *,
void *, size_t *);
// 处理无符合长整数向量,用户数据作为为毫秒值,转化为jiffies值,常用于时间控制
extern int proc_doulongvec_ms_jiffies_minmax(ctl_table *table, int,
struct file *, void *, size_t *);
举例，以下代码取自net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_standalone.c:
static ctl_table ip_ct_sysctl_table[] = {
{NET_IPV4_NF_CONNTRACK_MAX, "ip_conntrack_max",
&ip_conntrack_max, sizeof(int), 0644, NULL,
&proc_dointvec},
{NET_IPV4_NF_CONNTRACK_BUCKETS, "ip_conntrack_buckets",
&ip_conntrack_htable_size, sizeof(unsigned int), 0444, NULL,
&proc_dointvec},
{NET_IPV4_NF_CONNTRACK_TCP_TIMEOUT_SYN_SENT, "ip_conntrack_tcp_timeout_syn_sent",
&ip_ct_tcp_timeout_syn_sent, sizeof(unsigned int), 0644, NULL,
&proc_dointvec_jiffies},
......
{0}
};
static ctl_table ip_ct_netfilter_table[] = {
{NET_IPV4_NETFILTER, "netfilter", NULL, 0, 0555, ip_ct_sysctl_table, 0, 0, 0, 0, 0},
{NET_IP_CONNTRACK_MAX, "ip_conntrack_max",
&ip_conntrack_max, sizeof(int), 0644, NULL,
&proc_dointvec},
{0}
};
static ctl_table ip_ct_ipv4_table[] = {
{NET_IPV4, "ipv4", NULL, 0, 0555, ip_ct_netfilter_table, 0, 0, 0, 0, 0},
{0}
};
static ctl_table ip_ct_net_table[] = {
{CTL_NET, "net", NULL, 0, 0555, ip_ct_ipv4_table, 0, 0, 0, 0, 0},
{0}
};
static int init_or_cleanup(int init)
{
...
ip_ct_sysctl_header = register_sysctl_table(ip_ct_net_table, 0);
...
}
有些/proc/sys的文件控制比较复杂，参数的输入实际是一个触发信息来执行一系列操作，这时这些缺省处理函数功能就不足了，就需要单独编写ctl_table结构中的proc_handle和strategy函数。如对于/proc/sys/net/ipv4/ip_forward文件，对应的内核参数是ipv4_devconf.forwarding，如果该值改变，会将所有网卡设备的forwarding属性值进行改变，定义如下：
/* net/ipv4/sysctl_net_ipv4.c */
static
int ipv4_sysctl_forward(ctl_table *ctl, int write, struct file * filp,
void *buffer, size_t *lenp)
{
// 保持当前的forwarding值
int val = ipv4_devconf.forwarding;
int ret;
// 完成/proc/sys的读写操作，如果是写操作，forwarding值已经改为新值
ret = proc_dointvec(ctl, write, filp, buffer, lenp);
// 写操作，forwarding值改变，用新的forwarding值修改所有网卡的forwarding属性
if (write && ipv4_devconf.forwarding != val)
inet_forward_change(ipv4_devconf.forwarding);
return ret;
}
static int ipv4_sysctl_forward_strategy(ctl_table *table, int *name, int nlen,
void *oldval, size_t *oldlenp,
void *newval, size_t newlen,
void **context)
{
int new;
if (newlen != sizeof(int))
return -EINVAL;
if (get_user(new,(int *)newval))
return -EFAULT;
if (new != ipv4_devconf.forwarding)
inet_forward_change(new);
// 把forwarding值赋值为新值后应该可以返回>0的数的，现在不赋值只能返回0继续了
// 不过该strategy函数好象不是必要的，上面的proc_handler函数已经可以处理了
return 0; /* caller does change again and handles handles oldval */
}
ctl_table ipv4_table[] = {
......
{NET_IPV4_FORWARD, "ip_forward",
&ipv4_devconf.forwarding, sizeof(int), 0644, NULL,
&ipv4_sysctl_forward,&ipv4_sysctl_forward_strategy},
......
4.2 释放函数
释放可读写的/proc文件使用unregister_sysctl_table()函数，该函数在kernel/sysctl.c中定义，声明如下:
void unregister_sysctl_table(struct ctl_table_header * header)
参数就是建立时的返回的struct ctl_table_header结构指针，通常在模块释放函数中调用。
5. 结论
内核中/proc编程现在已经很简单，将/proc目录作为单个的内核参数的控制是很合适的，但不适合大批量的数据传输。
