http://www.educity.cn/Linux/1242138.html

最近做的项目跟Linux内核的关系比较大,我们的项目需要在用户态触发一些内核态的代码运行。众所周知,内核态的代码是不能直接被用户态代码调用的,用户态代码触发内核态代码的必须要经过系统调用。

为什么选择ioctl

  那么该如何实现我们的需求呢?有几种方法:

  1.   改写内核,扩大系统调用表,添加新的系统调用

  2.   利用内核模块,覆盖没被使用或这使用频率很低的一个系统调用的处理函数

  3.   利用已有的系统调用,比如ioctl,来“实现”自定义的系统调用。

  第一种方法需要修改内核,适用面比较窄;第二种方法hack意味很浓,没有被使用的系统调用号有限,不同模块可能都使用这种机制,可能会产生冲突。最终我们选择了第三种方法。下面将一一道来。

  ioctl系统调用是用户态控制设备的接口,其用户态原型为

  int ioctl(int d, int request, ...)

  

  第一个参数是打开的设备文件的文件描述符,通常是open系统调用的返回值;第二个参数request是可以自定义的请求号;第三个参数可以是一个指 针,指向一段用户态内存,用来传递参数,也可以是一个整形数据。函数原型中的'...'并非表示ioctl是可变参数函数,只是为了告诉编译器不要检查第 三个参数。

  在较新内核中,ioctl的内核态原型为unlock_ioctl

  long unlocked_ioctl(struct file *file, unsigned int request, unsigned long arg);

  

  这个原型可以在struct file_operation的定义中找到,还有一个compat_ioctl,用于内核为64位,用户空间为32位的情形,跟我们的需求关系不大。

  传入的request和arg就来自于ioctl系统调用的第二个和第三个参数。在内核态中,可以根据request的值,来调用约定的函数,“实现”自定义的系统调用。

  需要注意的是,request的值并不是可以随随便便自定义的,需要遵循一些规则,可以参考《选择ioctl命令》(注意它用的ioctl的原型是老内核的)。

  ioctl是用来操作设备的,因此我们需要一个虚拟的设备,以便ioctl能够工作。

如何实现

  实现虚拟设备需要通过内核模块来实现。这篇文章写了如何写一个入门的内核模块。

  1.   在内核模块初始化代码中

    1.   用alloc_chrdev_region申请一个设备号

    2.   初始化一个struct file_operations类型的全局变量,将open、close、unlocked_ioctl等成员赋值为我们实现的函数。

    3.   利用cdev_add将设备号与file_operations关联起来

    4.   用class_create创建一个设备类

    5.   用device_create创建一个虚拟设备

  2.   在内核模块销毁代码中

    1.   用cdev_del解除设备号与设备操作之间的关联

    2.   用device_destroy销毁设备

    3.   用class_destroy销毁设备类

    4.   用unregister_chrdev_region释放设备号。

  3.   在自定义的unlocked_ioctl中

    1.   通过switch-case,根据request号进入某个case

    2.   如果目标函数没有参数,那么直接调用即可

    3.   如果要传递给目标函数的参数直接存储在arg中,则直接读取arg再调用即可。

    4.   如果要传递给目标函数的参数是arg所指向的一段用户态内存,则需要从用户态拷贝到内核态。较少的数据可以用get_user和put_user来读写,较多的数据可以用copy_from_user和copy_to_user来读写。准备好参数之后,调用目标函数

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