Linux用戶態與內核態通信的方式有哪些

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Linux 用戶態和內核態由于 CPU 權限的限制，通信并不像想象中的使用進程間通信方式那么簡單，今天這篇文章就來看看 Linux 用戶態和內核態究竟有哪些通信方式。

我們平常在寫代碼時，一般是在用戶空間，通過系統調用函數來訪問內核空間，這是最常用的一種用戶態和內核態通信的方式。（關于 Linux 用戶態和內核態可以參考 xx）

除此之外，還有以下四種方式：

• procfs(/proc)

• sysctl(/proc/sys)

• sysfs(/sys)

• netlink 套接口

procfs(/proc)

procfs 是 進程文件系統 的縮寫，它本質上是一個偽文件系統，為什么說是 偽 文件系統呢？因為它不占用外部存儲空間，只是占用少量的內存，通常是掛載在 /proc 目錄下。

我們在該目錄下看到的一個文件，實際上是一個內核變量。內核就是通過這個目錄，以文件的形式展現自己的內部信息，相當于 /proc 目錄為用戶態和內核態之間的交互搭建了一個橋梁，用戶態讀寫 /proc 下的文件，就是讀寫內核相關的配置參數。

比如常見的 /proc/cpuinfo、/proc/meminfo 和 /proc/net 就分別提供了 CPU、內存、網絡的相關參數。除此之外，還有很多的參數，如下所示：

root@ubuntu:~# ls /proc/
1   1143 1345 1447 2   2292 29  331  393 44  63  70  76  acpi    diskstats  irq     locks     sched_debug  sysvipc      zoneinfo
10  1145 1357 148  20  23  290 332  396 442  64  7019 77  asound   dma     kallsyms   mdstat    schedstat   thread-self
1042 1149 1361 149  2084 2425 291 34  398 45  65  7029 8  buddyinfo driver    kcore    meminfo    scsi      timer_list
1044 1150 1363 15  2087 25  3  3455 413 46  66  7079 83  bus    execdomains keys     misc     self      timer_stats
1046 1151 1371 16  2090 256  30  35  418 47  6600 7080 884 cgroups  fb      key-users  modules    slabinfo    tty
1048 1153 1372 17  21  26  302 36  419 5   67  71  9  cmdline  filesystems kmsg     mounts    softirqs    uptime
11  1190 1390 18  22  27  31  37  420 518  6749 72  96  consoles  fs      kpagecgroup mtrr     stat      version
1126 12  143  182  2214 28  32  373  421 524  68  73  97  cpuinfo  interrupts  kpagecount  net      swaps     version_signature
1137 1252 1434 184  2215 280  327 38  422 525  69  74  98  crypto   iomem    kpageflags  pagetypeinfo sys      vmallocinfo
1141 13  144  190  2262 281  33  39  425 5940 7   75  985 devices  ioports   loadavg   partitions  sysrq-trigger vmstat

可以看到，這里面有很多的數字表示的文件，這些其實是當前系統運行的進程文件，數字表示進程號（PID），每個文件包含該進程所有的配置信息，包括進程狀態、文件描述符、內存映射等等，我們可以看下：

root@ubuntu:~# ls /proc/1/
attr/      cmdline     environ     io        mem       ns/       pagemap     schedstat    stat       timers
autogroup    comm       exe       limits      mountinfo    numa_maps    personality   sessionid    statm      uid_map
auxv       coredump_filter fd/       loginuid     mounts      oom_adj     projid_map    setgroups    status      wchan
cgroup      cpuset      fdinfo/     map_files/    mountstats    oom_score    root/      smaps      syscall     
clear_refs    cwd/       gid_map     maps       net/       oom_score_adj  sched      stack      task/

綜上，內核通過一個個的文件來暴露自己的系統配置信息，這些文件，有些是只讀的，有些是可寫的，有些是動態變化的，比如進程文件，當應用程序讀取某個 /proc/ 文件時，內核才會去注冊這個文件，然后再調用一組內核函數來處理，將相應的內核參數拷貝到用戶態空間，這樣用戶讀這個文件就可以獲取到內核的信息。一個大概的圖示如下所示：

sysctl

我們熟悉的 sysctl 是一個 Linux 命令，man sysctl 可以看到它的功能和用法。它主要是被用來修改內核的運行時參數，換句話說，它可以在內核運行過程中，動態修改內核參數。

它本質上還是用到了文件的讀寫操作，來完成用戶態和內核態的通信。它使用的是 /proc 的一個子目錄 /proc/sys。和 procfs 的區別在于：

procfs 主要是輸出只讀數據，而 sysctl 輸出的大部分信息是可寫的。

例如，我們比較常見的是通過 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 來獲取內核網絡層是否允許轉發 IP 數據包，通過 echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 或者 sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1 來設置內核網絡層允許轉發 IP 數據包。

同樣的操作，Linux 也提供了文件 /etc/sysctl.conf 來讓你進行批量修改。

sysfs

sysfs 是 Linux 2.6 才引入的一種虛擬文件系統，它的做法也是通過文件 /sys 來完成用戶態和內核的通信。和 procfs 不同的是，sysfs 是將一些原本在 procfs 中的，關于設備和驅動的部分，獨立出來，以 “設備樹” 的形式呈現給用戶。

sysfs 不僅可以從內核空間讀取設備和驅動程序的信息，也可以對設備和驅動進行配置。

我們看下 /sys 下有什么：

# ls /sys
block bus class dev devices firmware fs hypervisor kernel module power

可以看到這些文件基本上都跟計算機的設備和驅動等息息相關的。更多關于這些文件的解釋大家可以自行了解，這里就不過多展開了。

netlink

netlink 是 Linux 用戶態與內核態通信最常用的一種方式。Linux kernel 2.6.14 版本才開始支持。它本質上是一種 socket，常規 socket 使用的標準 API，在它身上同樣適用。比如創建一個 netlink socket，可以調用如下的 socket 函數：

#include <asm/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>

netlink_socket = socket(AF_NETLINK, socket_type, netlink_family);

netlink 這種靈活的方式，使得它可以用于內核與多種用戶進程之間的消息傳遞系統，比如路由子系統，防火墻（Netfilter），ipsec 安全策略等等。

引申：

net-tools 工具通過 procfs(/proc) 和 ioctl 系統調用去訪問和改變內核網絡參數配置，而 iproute2 則通過 netlink 套接字接口與內核通信，前者已經被淘汰了，后者逐步成為標準。

感謝各位的閱讀！關于“Linux用戶態與內核態通信的方式有哪些”這篇文章就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，讓大家可以學到更多知識，如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到吧！