Linux用户态与内核态通信的几种方式

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Linux 用户态和内核态由于 CPU 权限的限制，通信并不像想象中的使用进程间通信方式那么简单，今天这篇文章就来看看 Linux 用户态和内核态究竟有哪些通信方式。

我们平常在写代码时，一般是在用户空间，通过系统调用函数来访问内核空间，这是最常用的一种用户态和内核态通信的方式。（关于 Linux 用户态和内核态可以参考 xx）

除此之外，还有以下四种方式：

procfs(/proc)
sysctl(/proc/sys)
sysfs(/sys)
netlink 套接口

procfs(/proc)

procfs 是 进程文件系统 的缩写，它本质上是一个伪文件系统，为什么说是伪文件系统呢？因为它不占用外部存储空间，只是占用少量的内存，通常是挂载在 /proc 目录下。

我们在该目录下看到的一个文件，实际上是一个内核变量。内核就是通过这个目录，以文件的形式展现自己的内部信息，相当于 /proc 目录为用户态和内核态之间的交互搭建了一个桥梁，用户态读写 /proc 下的文件，就是读写内核相关的配置参数。

比如常见的 /proc/cpuinfo、/proc/meminfo 和 /proc/net 就分别提供了 CPU、内存、网络的相关参数。除此之外，还有很多的参数，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，这里面有很多的数字表示的文件，这些其实是当前系统运行的进程文件，数字表示进程号（PID），每个文件包含该进程所有的配置信息，包括进程状态、文件描述符、内存映射等等，我们可以看下：

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/

综上，内核通过一个个的文件来暴露自己的系统配置信息，这些文件，有些是只读的，有些是可写的，有些是动态变化的，比如进程文件，当应用程序读取某个 /proc/ 文件时，内核才会去注册这个文件，然后再调用一组内核函数来处理，将相应的内核参数拷贝到用户态空间，这样用户读这个文件就可以获取到内核的信息。一个大概的图示如下所示：

sysctl

我们熟悉的 sysctl 是一个 Linux 命令，man sysctl 可以看到它的功能和用法。它主要是被用来修改内核的运行时参数，换句话说，它可以在内核运行过程中，动态修改内核参数。

它本质上还是用到了文件的读写操作，来完成用户态和内核态的通信。它使用的是 /proc 的一个子目录 /proc/sys。和 procfs 的区别在于：

procfs 主要是输出只读数据，而 sysctl 输出的大部分信息是可写的。

例如，我们比较常见的是通过 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 来获取内核网络层是否允许转发 IP 数据包，通过 echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 或者 sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1 来设置内核网络层允许转发 IP 数据包。

同样的操作，Linux 也提供了文件 /etc/sysctl.conf 来让你进行批量修改。

sysfs

sysfs 是 Linux 2.6 才引入的一种虚拟文件系统，它的做法也是通过文件 /sys 来完成用户态和内核的通信。和 procfs 不同的是，sysfs 是将一些原本在 procfs 中的，关于设备和驱动的部分，独立出来，以 “设备树” 的形式呈现给用户。

sysfs 不仅可以从内核空间读取设备和驱动程序的信息，也可以对设备和驱动进行配置。

我们看下 /sys 下有什么：

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

可以看到这些文件基本上都跟计算机的设备和驱动等息息相关的。更多关于这些文件的解释大家可以自行了解，这里就不过多展开了。

netlink

netlink 是 Linux 用户态与内核态通信最常用的一种方式。Linux kernel 2.6.14 版本才开始支持。它本质上是一种 socket，常规 socket 使用的标准 API，在它身上同样适用。比如创建一个 netlink socket，可以调用如下的 socket 函数：

#include <asm/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>
netlink_socket = socket(AF_NETLINK, socket_type, netlink_family);

netlink 这种灵活的方式，使得它可以用于内核与多种用户进程之间的消息传递系统，比如路由子系统，防火墙（Netfilter），ipsec 安全策略等等。

引申：

net-tools 工具通过 procfs(/proc) 和 ioctl 系统调用去访问和改变内核网络参数配置，而 iproute2 则通过 netlink 套接字接口与内核通信，前者已经被淘汰了，后者逐步成为标准。

总结

Linux 用户态和内核态通信主要的四种方式，其中 netlink 和 procfs 是最常见的方式。

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参考：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-kerns-usrs/index.html

https://fasionchan.com/blog/2017/06/16/procfs-wei-wen-jian-xi-tong-yuan-li/

https://zh.wikipedia.org/wiki/Netlink