Linux系统内核空间与用户空间通信的实现与分析报告.doc

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HYPERLINK"://ibm/developerworks/cn/linux/l-netlink/?ca=dwcn-newsletter-linux"\l"author#author"鑫(HYPERLINK"mailto:chen.shin@hotmail?subject=Linux%20系统内核空间与用户空间通信的实现与分析"chen.shinhotmail.),自由软件爱好者,邮电学院电子工程系
2004年7月01日

多数的Linux核态程序都需要和用户空间的进程交换数据，但Linux核态无法对传统的Linux进程间同步和通信的方法提供足够的支持。本文总结并比较了几种核态与用户态进程通信的实现方法，并推荐使用netlink套接字实现中断环境与用户态进程通信。
1引言
Linux是一个源码开放的操作系统，无论是普通用户还是企业用户都可以编写自己的核代码，再加上对标准核的裁剪从而制作出适合自己的操作系统。目前有很多中低端用户使用的网络设备的操作系统是从标准Linux改进而来的，这也说明了有越来越多的人正在加入到Linux核开发团体中。
一个或多个核模块的实现并不能满足一般Linux系统软件的需要，因为核的局限性太大，如不能在终端上打印，不能做大延时的处理等等。当我们需要做这些的时候，就需要将在核态采集到的数据传送到用户态的一个或多个进程中进行处理。这样，核态与用户空间进程通信的方法就显得尤为重要。在Linux的核发行版本中没有对该类通信方法的详细介绍，也没有其他文章对此进行总结，所以本文将列举几种核态与用户态进程通信的方法并详细分析它们的实现和适用环境。

2Linux核模块的运行环境与传统进程间通信
在一台运行Linux的计算机中，CPU在任何时候只会有如下四种状态：
[1]在处理一个硬中断。
[2]在处理一个软中断，如softirq、tasklet和bh。
[3]运行于核态，但有进程上下文，即与一个进程相关。
[4]运行一个用户态进程。
其中，[1]、[2]和[3]是运行于核空间的，而[4]是在用户空间。其中除了[4]，其他状态只可以被在其之上的状态抢占。比如，软中断只可以被硬中断抢占。
Linux核模块是一段可以动态在核装载和卸载的代码，装载进核的代码便立即在核中工作起来。Linux核代码的运行环境有三种：用户上下文环境、硬中断环境和软中断环境。但三种环境的局限性分两种，因为软中断环境只是硬中断环境的延续。比较如表[1]。
表[1]
核态环境介绍局限性用户上下文核态代码的运行与一用户空间进程相关，如系统调用中代码的运行环境。不可直接将本地变量传递给用户态的存区，因为核态和用户态的存映射机制不同。硬中断和软中断环境硬中断或软中断过程中代码的运行环境，如IP数据报的接收代码的运行环境，网络设备的驱动程序等。不可直接向用户态存区传递数据；代码在运行过程中不可阻塞。Linux传统的进程间通信有很多，如各类管道、消息队列、存共享、信号量等等。但它们都无法介于核态与用户态使用，原因如表[2]。
表[2]
通信方法无法介于核态与用户态的原因管道（不包括命名管道）局限于父子进程间的通信。消息队列在硬、软中断中无法无阻塞地接收数据。信号量无法介于核态和用户态使用。存共享需要信号量辅助，而信号量又无法使用。套接字在硬、软中断中无法无阻塞地接收数据。

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3Linux核态与用户态进程通信方法的提出与实现
3．1用户上下文环境
运行在用户上下文环境中的代码是可以阻塞的，这样，便可以使用消息队列和UNIX域套接字来实现核态与用户态的通信。但这些方法的数据传输效率较低，Linux核提供copy_from_user()/copy_to_user()函数来实现核态与用户态数据的拷贝，但这两个函数会引发阻塞，所以不能用在硬、软中断中。一般将这两个特殊拷贝函数用在类似于系统调用一类的函数中，此类函数在使用中往往"穿梭"于核态与用户态。此类方法的工作原理路如图[1]。
图[1]
其中相关的系统调用是需要用户自行编写并载入核。HYPERLINK"://ibm/developerworks/cn/linux/l-netlink/imp1.tar.gz"imp1.tar.gz是一个示例，核模块注册了一组设置套接字选项的函数使得用户空间进程可以调用此组函数对核态数据进行读写。源码包含三个文件，imp1.h是通用头文件，定义了用户态和核态都要用到的宏。imp1_k.c是核模块的源代码。imp1_u.c