转：内核空间与用户空间数据交换的方式之一 --ioctl（通过字符设备演示）

对于linux而言，内核程序和用户程序分别运行在内核空间和用户空间，要实现两者的数据交换，主要有以下几种方式：系统调用，读写系统文件（procfs，sysfs， seq_file，debugfs等）， Netlink， 内核模块加载参数，内核启动参数，以及设备驱动实现的设备读、写、控制（ioctl）（这种方式可以归结到读写系统文件）。

设备驱动的实现过程中一般都会通过struct file_operations来实现对设备文件读、写以及控制命令。下面就仅通过ioctl的实现来说明通过字符设备，如何实现内核空间与用户空间的数据交换的。本例分为两个部分，内核代码为ict_k.c和ict_k.h，用户代码为ict_u.c

下面为内核部分代码：

1.ict_k.h

1. #ifndef __ICT_K_H__
2. #define __ICT_K_H__
3. #define MAX_BUFFER_SIZE            64
4. #define ICTDEV_MAJOR                  250
5. #define ICT_IOCTL_MAGIC_NUM    'K'
6. #define ICTIOC_GETDEV_INFO       _IOR(ICT_IOCTL_MAGIC_NUM, 0, int)
7. #define ICTIOC_SETDEV_INFO       _IOWR(ICT_IOCTL_MAGIC_NUM, 1, int)
8. #endif

2.ict_k.c

1. /********************************************************************************
2. *FileName          :ict_k.c
3. *
4. *Description       :This program is the kernel part which is used to illustrate the usage of ioctl.
5. *
6. *Author              :Michael Zhang <zhang_mq@sina.com>
7. *
8. *Version             :V0.1  2013-09-02
9. *********************************************************************************/
10. #include <linux/kernel.h>
11. #include <linux/module.h>
12. #include <linux/cdev.h>
13. #include <linux/types.h>
14. #include <asm/uaccess.h>
15. #include <linux/fs.h>     /*struct file*/
16. #include <linux/slab.h>  /*kfree*/
17. #include "ict_k.h"
18. struct ict_dev
19. {
20. struct cdev cdev;
21. char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];
22. };
23. static int mod_param = 0;
24. static int ictdev_major = ICTDEV_MAJOR;
25. static struct ict_dev *ict_devp;
26. static int devinfo = 0;
27. /*Device open function*/
28. static int ictdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
29. {
30. printk(KERN_INFO"Ict device has been open.\n");
31. return 0;
32. }
33. /*ioctl: device control function*/
34. //static long ictdev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
35. static long ictdev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
36. {
37. int ret = 0;
38. int tmp;
39. void __user *argp = (void __user *)arg;
40. switch(cmd)
41. {
42. case ICTIOC_GETDEV_INFO:
43. put_user(devinfo, (int *)arg);
44. break;
45. case ICTIOC_SETDEV_INFO:
46. get_user(tmp, (int __user *)argp);
47. devinfo = tmp;
48. printk(KERN_INFO"Set devinfo as: %d\n", devinfo);
49. break;
50. default:
51. break;
52. }
53. return ret;
54. }
55. static  int ictdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
56. {
57. printk(KERN_INFO"Ict device will be closed.\n");
58. return 0;
59. }
60. struct file_operations ictdev_fops =
61. {
62. .owner = THIS_MODULE,
63. .open = ictdev_open,
64. .ioctl = ictdev_ioctl,
65. //.unlock_ioct = ictdev_ioctl,
66. .release = ictdev_release,
67. };
68. static void ict_dev_setup(dev_t devno, struct ict_dev *dev)
69. {
70. int ret;
71. cdev_init(&dev->cdev, &ictdev_fops);
72. dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
73. ret = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
74. if(ret)
75. {
76. printk(KERN_ERR"Add cdev fail.\n");
77. }
78. return;
79. }
80. /*Ict module intilization*/
81. static int __init ict_ill_init(void)
82. {
83. int result;
84. dev_t devno;
85. devno = MKDEV(ictdev_major, 0);
86. if(ictdev_major)
87. {
88. result = register_chrdev_region(devno, 1, "ictdev");
89. }
90. else
91. {
92. result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "ictdev");
93. ictdev_major = MAJOR(devno);
94. }
95. printk(KERN_INFO"ictdev_major is %d\n", ictdev_major);
96. if(result < 0)
97. {
98. printk("Register/Allocate device number fail.\n");
99. return result;
100. }
101. ict_devp = kmalloc(sizeof(struct ict_dev), GFP_KERNEL);
102. if(!ict_devp)
103. {
104. printk("Memory allocation fail.\n");
105. result = -ENOMEM;
106. goto fail_malloc;
107. }
108. memset(ict_devp, 0, sizeof(struct ict_dev));
109. ict_dev_setup(devno, ict_devp);
110. return 0;
111. fail_malloc:
112. unregister_chrdev_region(devno, 1);
113. return result;
114. }
115. static void __exit ict_ill_exit(void)
116. {
117. cdev_del(&ict_devp->cdev);
118. kfree(ict_devp);
119. unregister_chrdev_region(MKDEV(ictdev_major, 0), 1);
120. }
121. module_init(ict_ill_init);
122. module_exit(ict_ill_exit);
123. MODULE_LICENSE("GPL");
124. MODULE_AUTHOR("Michael Zhang <zhang_mq@sina.com>");
125. module_param(mod_param, int, S_IRUGO);
126. MODULE_PARM_DESC(mod_param, "Initialization param of ioctl illustration program.");
127. module_param(ictdev_major, int, S_IRUGO);
128. MODULE_PARM_DESC(mod_param, "Initialization param of ioctl illustration program.");

3.内核部分代码通过下面的Makefile文件可编译成ict_u.ko

1. ifneq ($(KERNELRELEASE),)
2. obj-m := ict_k.o
3. else
4. KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
5. PWD := $(shell pwd)
6. default:
7. $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
8. clean:
9. rm -rf *.o *.mod.c *.ko
10. endif
11. 在编译出ict_k.ko后，将模块记载到内核，查看设备的主设备号。
12. 在/dev目录下通过运行以下命令来生成设备节点： sudo mkdev ictdev c 250 0
13. 对于内核代码中，struct file_operations实现了成员ioctl，但是对于大于2.6.36内核版本，其将会被unlocked_ioctl取代。
14. 4.用户空间代码ict_u.c
15. <pre name="code" class="cpp">/********************************************************************************
16. *FileName          :ict_u.c
17. *
18. *Description       :This program is the user part which is used to illustrate the usage of ioctl.
19. *
20. *Author              :Michael Zhang <zhang_mq@sina.com>
21. *
22. *Version             :V0.1  2013-09-04
23. *********************************************************************************/
24. #include <stdio.h>
25. #include <unistd.h>
26. #include <string.h>
27. #include <sys/types.h>
28. #include <sys/ioctl.h>
29. #include <sys/stat.h>
30. #include <fcntl.h>
31. /**********************Define Error Return Value**********************************/
32. #define ICT_SUCCESS            0
33. #define ICT_ERROR_DEV        1
34. #define ICT_ERROR_PARAM   2
35. #define ICT_ERROR_IOCTL     3
36. /**************************IOCTL Releate Macro**********************************/
37. #define ICT_IOCTL_MAGIC_NUM    'K'
38. #define ICTIOC_GETDEV_INFO       _IOR(ICT_IOCTL_MAGIC_NUM, 0, int)
39. #define ICTIOC_SETDEV_INFO       _IOWR(ICT_IOCTL_MAGIC_NUM, 1, int)
40. #define ICT_DEV_FILE        "/dev/ictdev"
41. static int ict_fd;
42. static void usage()
43. {
44. printf("************************************************\n");
45. printf("ictdev [get | set [0|1]]\n");
46. printf("        -get    Get ict device info\n");
47. printf("        -set    Set ict device info\n");
48. printf("                -0    Set ict device info as 0\n");
49. printf("                -1    Set ict device info as 0\n");
50. printf("************************************************\n");
51. }
52. static int parse_param(char *param)
53. {
54. if(*param == '1')
55. return 1;
56. else if(*param == '0')
57. return 0;
58. else
59. usage();
60. return -1;
61. }
62. int main(int argc, char **argv)
63. {
64. int fd;
65. int devinfo;
66. if(argc < 2)
67. {
68. usage();
69. return ICT_ERROR_PARAM;
70. }
71. /*Open device file*/
72. ict_fd = open(ICT_DEV_FILE, O_RDWR);
73. if(ict_fd < 0)
74. {
75. printf("Open ict device fail\n");
76. return ICT_ERROR_DEV;
77. }
78. if(strcmp("get", argv[1]) == 0)
79. {
80. if(ioctl(ict_fd, ICTIOC_GETDEV_INFO, &devinfo) < 0)
81. {
82. printf("Get ICT device info fail.\n");
83. return ICT_ERROR_IOCTL;
84. }
85. printf("ICT device info is: %d\n", devinfo);
86. return ICT_SUCCESS;
87. }
88. else if(strcmp("set", argv[1]) == 0)
89. {
90. devinfo = parse_param(argv[2]);
91. if(devinfo == -1)
92. {
93. return ICT_ERROR_PARAM;
94. }
95. if(ioctl(ict_fd, ICTIOC_SETDEV_INFO, &devinfo))
96. {
97. printf("Set ICT device info fail.\n");
98. return ICT_ERROR_IOCTL;
99. }
100. return ICT_SUCCESS;
101. }
102. else
103. {
104. usage();
105. return ICT_ERROR_PARAM;
106. }
107. }
108. </pre><br>
109. <br>
110. 通过gcc将其便以为可执行文件，如： gcc ict_u.c -o ict_app<br>
111. 通过运行 ./ict_app get 或./ict_app set [0/1] 就可观察内核与用户空间是如何实现数据交换的。<br>
112. 在运行ict_app是会去打开设备/dev/ictdev，故可能会因读写权限问题出现打开失败的问题，则可先修改/dev/ictdev的读写权限。<br>
113. <pre></pre>
114. <p></p>
115. <pre></pre>
116. <p><br>
117. </p>