Linux用户与内核空间交互

简介

一、netlink soket

优点

二、用户空间

1、API

2、编程流程

3、源码

三、内核编程

1、API

2、内核空间编程流程

3、内核源码

简介

用户空间与内核的交互方式，使用copy_from_user(), copy_to_user().

除了这两种交互方式，内核还提供了其他高级的方式，对于写驱动来说很重要。有proc、sysfs、debugfs、netlink、ioctl。

本文学习netlink

一、netlink soket

优点

双向同步传输数据；
高速数据传输，特别是在本地主机上；
异步通信；消息可以排队，因此发送方不必等待接收方；
在其他用户到内核通信方法（如procfs、sysfs、debugfs和ioctl）中，用户空间程序必须开始传输到内核空间的；而使用netlink套接字，内核可以起始传输到用户空间；
procfs、sysfs、debugfs中可能引起域名污染；对于netlink套接字，情况并非如此，因为没有文件。

二、用户空间

1、API

socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_MY_UNIT_PROTO)

2、编程流程

创建netlink；socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_MY_UNIT_PROTO);域名 PF_NETLINK，类型SOCK_RAW,协议 NETLINK_MY_UNIT_PROTO
初始化netlink源的sockerddr； bind socket
初始化netlink目的地址结构。目的地址设置成0表示是内核；
初始化netlink的头数据结构，指定源PID，数据负载；
初始化iovec结构，指向引用netlink头，初始化msghdr 数据结构，指向目的地址和iov
数据的发送sendmsg,数据的接收recvmsg

3、源码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>#define NETLINK_MY_UNIT_PROTO  31#define NLSPACE              1024//数据
static const char *thedata = "hello world";int main(int argc, char **argv)
{int sd;struct sockaddr_nl src_nl, dest_nl;struct nlmsghdr *nlhdr; // 'carries' the payloadstruct iovec iov;struct msghdr msg;ssize_t nsent, nrecv;//、创建节点，域名PF_NETLINK，类型SOCK_RAW，协议NETLINK_MY_UNIT_PROTOsd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_MY_UNIT_PROTO);if (sd < 0) {exit(EXIT_FAILURE);}//2、设置netlink源地址结构体已经绑定memset(&src_nl, 0, sizeof(src_nl));src_nl.nl_family = AF_NETLINK;src_nl.nl_pid = getpid();src_nl.nl_groups = 0x0;   // no multicastif (bind(sd, (struct sockaddr *)&src_nl, sizeof(src_nl)) < 0) {exit(EXIT_FAILURE);}/* 3. 设置目的地址结构体*/memset(&dest_nl, 0, sizeof(dest_nl));dest_nl.nl_family = AF_NETLINK;dest_nl.nl_groups = 0x0; // no multicastdest_nl.nl_pid = 0;      // destined for the kernel/* 4. 分配netlink头内存*/nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(NLSPACE));if (!nlhdr) {exit(EXIT_FAILURE);}memset(nlhdr, 0, NLMSG_SPACE(NLSPACE));nlhdr->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(NLSPACE);nlhdr->nlmsg_pid = getpid();/* 设置payload  thedata是待发送的数据*/strncpy(NLMSG_DATA(nlhdr), thedata, strnlen(thedata, NLSPACE)+1);/* 5.设置iovec*/memset(&iov, 0, sizeof(struct iovec));iov.iov_base = (void *)nlhdr;//上面申请的空间iov.iov_len = nlhdr->nlmsg_len;/* 设置消息头结构体 */memset(&msg, 0, sizeof(struct msghdr));msg.msg_name = (void *)&dest_nl;   // 目的地址msg.msg_namelen = sizeof(dest_nl); // 目的地址大学msg.msg_iov = &iov;//msg.msg_iovlen = 1; // # elements in msg_iov/* 6. sendmsg */nsent = sendmsg(sd, &msg, 0);if (nsent < 0) {free(nlhdr);exit(EXIT_FAILURE);} else if (nsent == 0) {free(nlhdr);exit(EXIT_FAILURE);}printf("%s:sendmsg(): *** success, sent %ld bytes all-inclusive\n"" (see kernel log for dtl)\n", argv[0], nsent);fflush(stdout);/* 7. 阻塞接收数据*/printf("%s: now blocking on kernel netlink msg via recvmsg() ...\n", argv[0]);nrecv = recvmsg(sd, &msg, 0);if (nrecv < 0) {free(nlhdr);exit(EXIT_FAILURE);}printf("%s:recvmsg(): *** success, received %ld bytes:""\nmsg from kernel netlink: \"%s\"\n",argv[0], nrecv, (char *)NLMSG_DATA(nlhdr));free(nlhdr);close(sd);exit(EXIT_SUCCESS);
}

三、内核编程

1、API

struct sock * netlink_kernel_create(struct net *, int , struct netlink_kernel_cfg *);

2、内核空间编程流程

netlink_kernel_create 创建netlink
nlmsg_new()分配netlink内存，nlmsg_put()添加netlink信息到分配的内存；借助nlmsg_data()
拷贝数据；
nlmsg_unicast()发送内核数据到用户空间;
netlink_kernel_release() 释放netlink

3、内核源码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/skbuff.h>MODULE_AUTHOR("wy");
MODULE_LICENSE("Dual MIT/GPL");
MODULE_VERSION("0.1");//文件名
#define OURMODNAME   "netlink_simple_intf"
#define NETLINK_MY_UNIT_PROTO   31
#define NLSPACE              1024static struct sock *nlsock;//收到数据，触发回调函数。
static void netlink_recv_and_reply(struct sk_buff *skb)
{struct nlmsghdr *nlh;struct sk_buff *skb_tx;//返回的数据char *reply = "Reply from kernel netlink";int pid, msgsz, stat;//发生在进程上下文，而不是中断上下文PRINT_CTX();nlh = (struct nlmsghdr *)skb->data;pid = nlh->nlmsg_pid;    //发送进程的PIDpr_info("received from PID %d:\n" "\"%s\"\n", pid, (char *)NLMSG_DATA(nlh));//返回数据长度msgsz = strnlen(reply, NLSPACE);//新netlink申请skb_tx = nlmsg_new(msgsz, 0);if (!skb_tx) {pr_warn("skb alloc failed!\n");return;}// 设置 payloadnlh = nlmsg_put(skb_tx, 0, 0, NLMSG_DONE, msgsz, 0);NETLINK_CB(skb_tx).dst_group = 0; //将发送的数据reply，使用nlmsg_data拷贝到netlink strncpy(nlmsg_data(nlh), reply, msgsz);// 发送stat = nlmsg_unicast(nlsock, skb_tx, pid);if (stat < 0)pr_warn("nlmsg_unicast() failed (err=%d)\n", stat);pr_info("reply sent\n");
}//当用户空间向kernel发数据，将触发此回调函数
static struct netlink_kernel_cfg nl_kernel_cfg = {.input = netlink_recv_and_reply,
};static int __init netlink_simple_intf_init(void)
{//创建netlinknlsock = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_MY_UNIT_PROTO,&nl_kernel_cfg);if (!nlsock) {pr_warn("netlink_kernel_create failed\n");return PTR_ERR(nlsock);}pr_info("inserted\n");return 0;        /* success */
}//模块退出清理
static void __exit netlink_simple_intf_exit(void)
{netlink_kernel_release(nlsock);pr_info("removed\n");
}module_init(netlink_simple_intf_init);
module_exit(netlink_simple_intf_exit);

四、串口输出

kernel

[  310.858620] netlink_simple_intf: loading out-of-tree module taints kernel.
[  310.858650] netlink_simple_intf: module verification failed: signature and/or required key missing - tainting kernel
[  310.860505] netlink_simple_intf:netlink_simple_intf_init(): creating kernel netlink socket
[  310.860510] netlink_simple_intf:netlink_simple_intf_init(): inserted
[  320.874385] netlink_simple_intf:netlink_recv_and_reply(): 005)  netlink_userapp :3730   |  ...0   /* netlink_recv_and_reply() */
[  320.874391] netlink_simple_intf:netlink_recv_and_reply(): received from PID 3730:"sample user data to send to kernel via netlink"
[  320.874394] netlink_simple_intf:netlink_recv_and_reply(): reply sent

app

./netlink_userapp:PID 3730: netlink socket created
./netlink_userapp: bind done
./netlink_userapp: destination struct, netlink hdr, payload setup
./netlink_userapp: initialized iov structure (nl header folded in)
./netlink_userapp: initialized msghdr structure (iov folded in)
./netlink_userapp:sendmsg(): *** success, sent 1040 bytes all-inclusive(see kernel log for dtl)
./netlink_userapp: now blocking on kernel netlink msg via recvmsg() ...
./netlink_userapp:recvmsg(): *** success, received 44 bytes:
msg from kernel netlink: "Reply from kernel netlink"

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