linux内核空间与用户空间信息交互方法


来源：http://www.kerneltravel.net/jiaoliu/005.htm
本文作者：
康华：计算机硕士，主要从事Linux操作系统内核、Linux技术标准、计算机安全、软件测试等领域的研究与开发工作，现就职于信息产业部软件与集成电路促进中心所属的MII-HP Linux软件实验室。如果需要可以联系通过kanghua151@msn.com联系他。

摘要：在进行设备驱动程序，内核功能模块等系统级开发时，通常需要在内核和用户程序之间交换信息。Linux提供了多种方法可以用来完成这些任务。本文总结了各种常用的信息交换方法，并用简单的例子演示这些方法各自的特点及用法。其中有大家非常熟悉的方法，也有特殊条件下方可使用的手段。通过对比明确这些方法，可以加深我们对Linux内核的认识，更重要的是，可以让我们更熟练驾御linux内核级的应用开发技术。

内核空间(kernel-space) VS 用户空间(user-space)

作为一个Linux开发者，首先应该清楚内核空间和用户空间的区别。关于这个话题，已经有很多相关资料，我们在这里简单描述如下：
现代的计算机体系结构中存储管理通常都包含保护机制。提供保护的目的，是要避免系统中的一个任务访问属于另外的或属于操作系统的存储区域。如在IntelX86体系中，就提供了特权级这种保护机制，通过特权级别的区别来限制对存储区域的访问。 基于这种构架，Linux操作系统对自身进行了划分：一部分核心软件独立于普通应用程序，运行在较高的特权级别上，（Linux使用Intel体系的特权级3来运行内核。）它们驻留在被保护的内存空间上，拥有访问硬件设备的所有权限，Linux将此称为内核空间。
相对的，其它部分被作为应用程序在用户空间执行。它们只能看到允许它们使用的部分系统资源，并且不能使用某些特定的系统功能，不能直接访问硬件，不能直接访问内核空间，当然还有其他一些具体的使用限制。（Linux使用Intel体系的特权级0来运行用户程序。）
从安全角度讲将用户空间和内核空间置于这种非对称访问机制下是很有效的，它能抵御恶意用户的窥探，也能防止质量低劣的用户程序的侵害，从而使系统运行得更稳定可靠。但是，如果像这样完全不允许用户程序访问和使用内核空间的资源，那么我们的系统就无法提供任何有意义的功能了。为了方便用户程序使用在内核空间才能完全控制的资源，而又不违反上述的特权规定，从硬件体系结构本身到操作系统，都定义了标准的访问界面。关于X86系统的细节，请查阅参考资料1
一般的硬件体系机构都提供一种“门”机制。“门”的含义是指在发生了特定事件的时候低特权的应用程序可以通过这些“门”进入高特权的内核空间。对于IntelX86体系来说，Linux操作系统正是利用了“系统门”这个硬件界面（通过调用int $0x80机器指令)，构造了形形色色的系统调用作为软件界面，为应用程序从用户态陷入到内核态提供了通道。通过“系统调用”使用“系统门”并不需要特别的权限，但陷入到内核的具体位置却不是随意的，这个位置由“系统调用”来指定，有这样的限制才能保证内核安全无虞。我们可以形象地描述这种机制：作为一个游客，你可以买票要求进入野生动物园，但你必须老老实实的坐在观光车上，按照规定的路线观光游览。当然，不准下车，因为那样太危险，不是让你丢掉小命，就是让你吓坏了野生动物。
出于效率和代码大小的考虑，内核程序不能使用标准库函数（当然还有其它的顾虑，详细原因请查阅参考资料2）因此内核开发不如用户程序开发那么方便。而且由于目前（linux2.6还没正式发布）的内核是“非抢占”的，因此正在内核空间运行的进程是不会被其他进程取代的（除非该进程主动放弃CPU的控制，比如调用sleep(),schedule()等），所以无论是在进程上下文中（比如正在运行read系统调用），还是在中断上下文(正在中断服务程序中)，内核程序都不能长时间占用CPU，否则其它程序将无法执行，只能等待。
内核空间和用户空间的相互作用

现在，越来越多的应用程序需要编写内核级和用户级的程序来一起完成具体的任务，通常采用以下模式：首先，编写内核服务程序利用内核空间提供的权限和服务来接收、处理和缓存数据；然后编写用户程序来和先前完成的内核服务程序交互，具体来说，可以利用用户程序来配置内核服务程序的参数，提取内核服务程序提供的数据，当然，也可以向内核服务程序输入待处理数据。
比较典型的应用包括: Netfilter(内核服务程序：防火墙)VS Iptable（用户级程序：规则设置程序）；IPSEC(内核服务程序：VPN协议部分)VS IKE(用户级程序：vpn密钥协商处理)；当然还包括大量的设备驱动程序及相应的应用软件。这些应用都是由内核级和用户级程序通过相互交换信息来一起完成特定任务的。
信息交互方法

用户程序和内核的信息交换是双向的，也就是说既可以主动从用户空间向内核空间发送信息，也可以从内核空间向用户空间提交数据。当然，用户程序也可以主动地从内核提取数据。下面我们就针对内核和用户交互数据的方法做一总结、归纳。
信息交互按信息传输发起方可以分为用户向内核传送/提取数据和内核向用户空间提交请求两大类，先来说说：
由用户级程序主动发起的信息交互。
用户级程序主动发起的信息交互

A编写自己的系统调用

从前文可以看出，系统调用是用户级程序访问内核最基本的方法。目前linux大致提供了二百多个标准的系统调用（参见内核代码树中的include/ asm-i386/unistd.h和arch/i386/kernel/entry.S文件），并且允许我们添加自己的系统调用来实现和内核的信息交换。比如我们希望建立一个系统调用日志系统，将所有的系统调用动作记录下来，以便进行入侵检测。此时，我们可以编写一个内核服务程序。该程序负责收集所有的系统调用请求，并将这些调用信息记录到在内核中自建的缓冲里。我们无法在内核里实现复杂的入侵检测程序，因此必须将该缓冲里的记录提取到用户空间。最直截了当的方法是自己编写一个新系统调用实现这种提取缓冲数据的功能。当内核服务程序和新系统调用都实现后，我们就可以在用户空间里编写用户程序进行入侵检测任务了，入侵检测程序可以定时、轮训或在需要的时候调用新系统调用从内核提取数据，然后进行入侵检测了。
B编写驱动程序

Linux/UNIX的一个特点就是把所有的东西都看作是文件(every thing is a file)。系统定义了简洁完善的驱动程序界面，客户程序可以用统一的方法透过这个界面和内核驱动程序交互。而大部分系统的使用者和开发者已经非常熟悉这种界面以及相应的开发流程了。
驱动程序运行于内核空间，用户空间的应用程序通过文件系统中/dev/目录下的一个文件来和它交互。这就是我们熟悉的那个文件操作流程：open() —— read() —— write() —— ioctl() —— close()。（需要注意的是也不是所有的内核驱动程序都是这个界面，网络驱动程序和各种协议栈的使用就不大一致，比如说套接口编程虽然也有open()close()等概念，但它的内核实现以及外部使用方式都和普通驱动程序有很大差异。）关于这部分的编程细节，请查阅参考资料3、4。
设备驱动程序在内核中要做的中断响应、设备管理、数据处理等等各种工作这篇文章不去关心，我们把注意力集中在它与用户级程序交互这一部分。操作系统为此定义了一种统一的交互界面，就是前面所说的open(), read(), write(), ioctl()和close()等等。每个驱动程序按照自己的需要做独立实现，把自己提供的功能和服务隐藏在这个统一界面下。客户级程序选择需要的驱动程序或服务（其实就是选择/dev/目录下的文件），按照上述界面和文件操作流程，就可以跟内核中的驱动交互了。其实用面向对象的概念会更容易解释，系统定义了一个抽象的界面（abstract interface），每个具体的驱动程序都是这个界面的实现（implementation）。
所以驱动程序也是用户空间和内核信息交互的重要方式之一。其实ioctl, read, write本质上讲也是通过系统调用去完成的，只是这些调用已被内核进行了标准封装，统一定义。因此用户不必向填加新系统调用那样必须修改内核代码，重新编译新内核，使用虚拟设备只需要通过模块方法将新的虚拟设备安装到内核中（insmod上）就能方便使用。关于此方面设计细节请查阅参考资料5，编程细节请查阅参考资料6。
在linux中，设备大致可分为：字符设备，块设备，和网络接口（字符设备包括那些必须以顺序方式，像字节流一样被访问的设备；如字符终端，串口等。块设备是指那些可以用随机方式，以整块数据为单位来访问的设备，如硬盘等；网络接口，就指通常网卡和协议栈等复杂的网络输入输出服务）。如果将我们的系统调用日志系统用字符型驱动程序的方式实现，也是一件轻松惬意地工作。我们可以将内核中收集和记录信息的那一部分编写成一个字符设备驱动程序。虽然没有实际对应的物理设备，但这并没什么问题：Linux的设备驱动程序本来就是一个软件抽