用户空间与内核驱动的交互过程 — ioctl

在Linux内核模块的开发过程中，经常涉及到运行在用户空间上的应用程序与内核模块进行交互，ioctl系统调用是常用的一种方式。本文并不涉及vlan的具体原理，仅通过vconfig与vlan内核模块进行交互为例，讲解通过ioctl系统调用来实现用户空间与内核驱动交互的过程。

1、用户空间命令行配置工具

vconfig是vlan在用户空间上的命令行配置工具，在vconfig的源码中，可以看到在用户空间上与内核通信部分，其实仅做了三件事。

接收用户输入，填充vlan_ioctl_args结构体，vlan_ioctl_args结构体在linux/linux-2.6/include/linux/if_vlan.h中定义。

 struct vlan_ioctl_args {
     int cmd; /* Should be one of the vlan_ioctl_cmds enum above. */
     char device1[];

         union {
         char device2[];
         int VID;
         unsigned int skb_priority;
         unsigned int name_type;
         unsigned int bind_type;
         unsigned int flag; /* Matches vlan_dev_info flags */
         } u;

     short vlan_qos;
 };

创建socket描述符

    /* We use sockets now, instead of the file descriptor */
    if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, )) < ) {
       fprintf(stderr, "FATAL:  Couldn't open a socket..go figure!\n");
       exit();
    }   

ioctl请求

    /* add */
    if (strcasecmp(cmd, "add") == ) {
       if_request.cmd = ADD_VLAN_CMD;
       if (ioctl(fd, SIOCSIFVLAN, &if_request) < ) {
          fprintf(stderr,"ERROR: trying to add VLAN #%u to IF -:%s:-  error: %s\n",
                     vid, if_name, strerror(errno));
       }
    }//if

2、内核空间— vlan驱动

vlan驱动工作在内核空间，因此需要相应的内核API去读取用户空间的数据。在/linux/linux-2.6/net/8021q/vlan.c的vlan模块初始化函数vlan_proto_init中使用vlan_ioctl_set注册vlan_ioctl_handler函数，使之用于响应用户空间的ioctl请求。

 vlan_ioctl_set(vlan_ioctl_handler);

在vlan_ioctl_handler函数中，首先使用copy_from_user函数从用户空间拷贝数据到内核空间。

 struct vlan_ioctl_args args;

 if (copy_from_user(&args, arg, sizeof(struct vlan_ioctl_args)))
         return -EFAULT;

在/linux/linux-2.6/net/socket.c中可以查看到vlan_ioctl_set的定义，它的参数是一个函数指针。当把vlan_ioctl_handler函数作为参数传递时，vlan_ioctl_hook指向其首地址，通过这种方式把对特定ioctl的响应处理方法注册进内核。用户可以添加不同的命令，只需在模块的vlan_ioctl_handler中对相应的命令进行解析、响应即可。

 static DEFINE_MUTEX(vlan_ioctl_mutex);
 static int (*vlan_ioctl_hook) (void __user *arg);

 void vlan_ioctl_set(int (*hook) (void __user *))
 {
     mutex_lock(&vlan_ioctl_mutex);
     vlan_ioctl_hook = hook;
     mutex_unlock(&vlan_ioctl_mutex);
 }

 EXPORT_SYMBOL(vlan_ioctl_set);

而后的sock_ioctl函数中调用了vlan_ioctl_hook，void __user *argp指向用户空间传递的参数。

 case SIOCGIFVLAN:
 case SIOCSIFVLAN:
             err = -ENOPKG;
             if (!vlan_ioctl_hook)
                 request_module("8021q");

             mutex_lock(&vlan_ioctl_mutex);
             if (vlan_ioctl_hook)
                 err = vlan_ioctl_hook(argp);
             mutex_unlock(&vlan_ioctl_mutex);
             break;