使用/proc实现内核与用户空间通信

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1. 前言

Linux内核空间与用户空间的通信可通过"/proc"目录的文件读写来实现，如果只是控制内核中的参数而不是传输较多数据的话，用“/proc”是很合适的。另外一种内核与用户空间通信方式方式是使用内核设备的读写或IOCTL来实现，以后再介绍。

2. /proc概述

/proc目录是系统模拟出来的一个文件系统，本身并不存在于磁盘上，其中的文件都表示内核参数的信息，这些信息分两类，一类是可都可写的，这类参数都在“/proc/sys”目录下，另一类是只读的，就是“/proc/sys”目录之外的其他目录和文件，当然这只是一种惯例，实际在其他目录下建立可读写的/proc文件也是可以的。

操作/proc目录不需要特殊工具，在用户层看来就是一普通文件，在shell中用“cat”命令进行查看，用“echo”命令来写文件信息。

Linux内核在2.4以后/proc目录文件的建立已经变得很容易，以前版本都还需要构造文件操作结构来实现，现在只需要调用简单函数就可以了。/proc文件通过是create_proc_entry()函数来建立，使用remove_proc_entry()函数来删除，建立新目录可以通过proc_mkdir()函数调用，这些函数在fs/proc/generic.c中定义，通常我们不必直接使用 create_proc_entry()函数来建立，而是通过这个函数的包裹函数来实现。

3. 只读/proc文件

内核编译选项要设置CONFIG_PROC_FS。

3.1 建立/proc只读项

只读的/proc文件可以通过create_proc_read_entry()或create_proc_info_entry()函数来建立，在模块初始化时调用，：
/* include/linux/proc_fs.h */

static inline struct proc_dir_entry *create_proc_read_entry(const char *name,
 mode_t mode, struct proc_dir_entry *base,
 read_proc_t *read_proc, void * data)
{
 struct proc_dir_entry *res=create_proc_entry(name,mode,base);
 if (res) {
  res->read_proc=read_proc;
  res->data=data;
 }
 return res;
}

该函数需要5个参数：
name：要建立的文件名
mode：文件模式
base：所在的目录
read_proc：这是个函数指针，表示读取文件内容的函数
data：传递给read_proc函数的用户参数指针

static inline struct proc_dir_entry *create_proc_info_entry(const char *name,
 mode_t mode, struct proc_dir_entry *base, get_info_t *get_info)
{
 struct proc_dir_entry *res=create_proc_entry(name,mode,base);
 if (res) res->get_info=get_info;
 return res;
}

该函数需要4个参数：
name：要建立的文件名
mode：文件模式
base：所在的目录
get_info：这是个函数指针，表示读取文件内容的函数，这个函数比上面的read_proc函数少一个用户输入参数

对于base，内核已经预定义了一些目录/proc/net, /procbus, /proc/fs, /proc/driver, 这些是在fs/proc/root.c中定义的：

struct proc_dir_entry *proc_net, *proc_bus, *proc_root_fs, *proc_root_driver;

3.2 删除/proc只读项

只读的/proc文件可以通过remove_proc_entry()函数来建立，在模块删除时调用，该函数在fs/proc/generic.c中定义：

void remove_proc_entry(const char *name, struct proc_dir_entry *parent)
该函数需要2个参数：
name：要建立的文件名
parent：父目录

3.3 网络相关/proc的建立和删除

对于网络参数(/proc/net)，内核更提供了proc_net_create()和proc_net_remove()包裹函数来建立和删除/proc/net文件：

static inline struct proc_dir_entry *proc_net_create(const char *name,
 mode_t mode, get_info_t *get_info)
{
 return create_proc_info_entry(name,mode,proc_net,get_info);
}
static inline void proc_net_remove(const char *name)
{
 remove_proc_entry(name,proc_net);
}

proc_net就是已经预定义好的"/proc/net"目录的指针，这样在建立网络部分的只读文件时就直接调用这两个函数就可以了。

3.4 举例
net/ipv4/af_inet.c:
...
// 建立/proc/net/netstat文件
 proc_net_create ("netstat", 0, netstat_get_info);
...

netstat_get_info()函数在net/ipv4/proc.c文件中定义，函数的参数格式是固定的：
//buffer是数据输出的缓冲区，要输出的数据都写到这个缓冲区；
//start用来返回buffer中起始数据的位置；
//offset指定偏移start所指数据相对buffer起点的偏移，实际start是通过buffer和
//offset计算出来的；
//length表示buffer的长度，是由内核自己分配的，编程时要检查向缓冲区写的数据长度
//是否超过length规定的限值。

int netstat_get_info(char *buffer, char **start, off_t offset, int length)
{
 int len, i;
// len记录写入缓冲区的数据长度，所有数据长度都要累加
 len = sprintf(buffer,
        "TcpExt: SyncookiesSent SyncookiesRecv SyncookiesFailed"
        " EmbryonicRsts PruneCalled RcvPruned OfoPruned"
        " OutOfWindowIcmps LockDroppedIcmps ArpFilter"
        " TW TWRecycled TWKilled"
        " PAWSPassive PAWSActive PAWSEstab"
        " DelayedACKs DelayedACKLocked DelayedACKLost"
        " ListenOverflows ListenDrops"
        " TCPPrequeued TCPDirectCopyFromBacklog"
        " TCPDirectCopyFromPrequeue TCPPrequeueDropped"
        " TCPHPHits TCPHPHitsToUser"
        " TCPPureAcks TCPHPAcks"
        " TCPRenoRecovery TCPSackRecovery"
        " TCPSACKReneging"
        " TCPFACKReorder TCPSACKReorder TCPRenoReorder TCPTSReorder"
        " TCPFullUndo TCPPartialUndo TCPDSACKUndo TCPLossUndo"
        " TCPLoss TCPLostRetransmit"
        " TCPRenoFailures TCPSackFailures TCPLossFailures"
        " TCPFastRetrans TCPForwardRetrans TCPSlowStartRetrans"
        " TCPTimeouts"
        " TCPRenoRecoveryFail TCPSackRecoveryFail"
        " TCPSchedulerFailed TCPRcvCollapsed"
        " TCPDSACKOldSent TCPDSACKOfoSent TCPDSACKRecv TCPDSACKOfoRecv"
        " TCPAbortOnSyn TCPAbortOnData TCPAbortOnClose"
        " TCPAbortOnMemory TCPAbortOnTimeout TCPAbortOnLinger"
        " TCPAbortFailed TCPMemoryPressures\n"
        "TcpExt:");
 for (i=0; i  len += sprintf(buffer+len, " %lu", fold_field((unsigned long*)net_statistics, sizeof(struct linux_mib), i));
 len += sprintf (buffer + len, "\n");
 if (offset >= len)
 {
  *start = buffer;
  return 0;
 }
//计算数据起始指针
 *start = buffer + offset;
 len -= offset;
// 检查写入的长度是否溢出
 if (len > length)
  len = length;
 if (len < 0)
  len = 0;
 return len;
}

4. 可读写的/proc文件

要支持可读写的/proc，内核编译选项要设置CONFIG_SYSCTL。

可读写/proc文件按惯例通常放在/proc/sys目录下，这些文件对应的内核参数或者是全局变量，或者是动态分配的内存空间，不能是临时变量。

4.1 建立函数

建立可读写的/proc文件使用register_sysctl_table()函数来登记，该函数在kernel/sysctl.c中定义，声明如下:

struct ctl_table_header *register_sysctl_table(ctl_table * table,  int insert_at_head);

该函数返回一个struct ctl_table_header结构的指针，在释放时使用；
该函数第一个参数table是sysctl控制表，定义如下：

/* include/linux/sysctl.h */
typedef struct ctl_table ctl_table;
struct ctl_table
{
 int ctl_name;  /* 数值表示的该项的ID */
 const char *procname; /* 名称 */
 void *data;             /* 对于的内核参数 */
 int maxlen;             /* 该参数所占的存储空间 */
 mode_t mode;            /* 权限模式：rwxrwxrwx */
 ctl_table *child;       /* 子目录表 */
 proc_handler *proc_handler; /* 读写数据处理的回调函数 */
 ctl_handler *strategy;  /* 读/写时的回调函数,是对数据的预处理，
     该函数是在读或写操作之前执行，该函数返回值
     <0表示出错；==0表示正确，继续读或写；>0表
     示读/写操作已经在函数中完成，可以直接返回了*/
 struct proc_dir_entry *de; /* /proc控制块指针 */
 void *extra1;  /* 额外参数，常在设置数据范围时用来表示最大最小值 */
 void *extra2;
};
注意该结构中的第6个参数子目录表，这使得该表成为树型结构。

第二个参数表示链表的插入方式，是插入到链表头还是链表尾；

由此可知重要的是struct ctl_table结构的填写，而最重要的是结构项proc_handler，该函数处理数据的输入和输出，如果不是目录而是文件，该项是不可或缺的。早期内核版本中这些都需要单独编写，现在2.4以后内核提供了一些函数可以完成大部分的数据输入输出功能：

// 处理字符串数据
extern int proc_dostring(ctl_table *, int, struct file *,
    void *, size_t *);
// 处理整数向量
extern int proc_dointvec(ctl_table *, int, struct file *,
    void *, size_t *);
// 处理整数向量,但init进程处理时稍有区别
extern int proc_dointvec_bset(ctl_table *, int, struct file *,
         void *, size_t *);
// 处理最大最小值形式的整数向量
extern int proc_dointvec_minmax(ctl_table *, int, struct file *,
    void *, size_t *);
// 处理最大最小值形式的无符合长整数向量
extern int proc_doulongvec_minmax(ctl_table *, int, struct file *,
      void *, size_t *);
// 处理整数向量,但用户数据作为秒数,转化为jiffies值,常用于时间控制
extern int proc_dointvec_jiffies(ctl_table *, int, struct file *,
     void *, size_t *);
// 处理无符合长整数向量,用户数据作为为毫秒值,转化为jiffies值,常用于时间控制
extern int proc_doulongvec_ms_jiffies_minmax(ctl_table *table, int,
          struct file *, void *, size_t *);

举例，以下代码取自net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_standalone.c:

static ctl_table ip_ct_sysctl_table[] = {
 {NET_IPV4_NF_CONNTRACK_MAX, "ip_conntrack_max",
  &ip_conntrack_max, sizeof(int), 0644, NULL,
  &proc_dointvec},
 {NET_IPV4_NF_CONNTRACK_BUCKETS, "ip_conntrack_buckets",
  &ip_conntrack_htable_size, sizeof(unsigned int), 0444, NULL,
  &proc_dointvec},
 {NET_IPV4_NF_CONNTRACK_TCP_TIMEOUT_SYN_SENT, "ip_conntrack_tcp_timeout_syn_sent",
  &ip_ct_tcp_timeout_syn_sent, sizeof(unsigned int), 0644, NULL,
  &proc_dointvec_jiffies},
......
 {0}
};

static ctl_table ip_ct_netfilter_table[] = {
 {NET_IPV4_NETFILTER, "netfilter", NULL, 0, 0555, ip_ct_sysctl_table, 0, 0, 0, 0, 0},
 {NET_IP_CONNTRACK_MAX, "ip_conntrack_max",
  &ip_conntrack_max, sizeof(int), 0644, NULL,
  &proc_dointvec},
 {0}
};
static ctl_table ip_ct_ipv4_table[] = {
 {NET_IPV4, "ipv4", NULL, 0, 0555, ip_ct_netfilter_table, 0, 0, 0, 0, 0},
 {0}
};
static ctl_table ip_ct_net_table[] = {
 {CTL_NET, "net", NULL, 0, 0555, ip_ct_ipv4_table, 0, 0, 0, 0, 0},
 {0}
};
static int init_or_cleanup(int init)
{
...
 ip_ct_sysctl_header = register_sysctl_table(ip_ct_net_table, 0);
...
}

有些/proc/sys的文件控制比较复杂，参数的输入实际是一个触发信息来执行一系列操作，这时这些缺省处理函数功能就不足了，就需要单独编写ctl_table结构中的proc_handle和strategy函数。如对于/proc/sys/net/ipv4 /ip_forward文件，对应的内核参数是ipv4_devconf.forwarding，如果该值改变，会将所有网卡设备的forwarding 属性值进行改变，定义如下：

/* net/ipv4/sysctl_net_ipv4.c */
static
int ipv4_sysctl_forward(ctl_table *ctl, int write, struct file * filp,
   void *buffer, size_t *lenp)
{
// 保持当前的forwarding值
 int val = ipv4_devconf.forwarding;
 int ret;
// 完成/proc/sys的读写操作，如果是写操作，forwarding值已经改为新值
 ret = proc_dointvec(ctl, write, filp, buffer, lenp);
// 写操作，forwarding值改变，用新的forwarding值修改所有网卡的forwarding属性
 if (write && ipv4_devconf.forwarding != val)
  inet_forward_change(ipv4_devconf.forwarding);
 return ret;
}
static int ipv4_sysctl_forward_strategy(ctl_table *table, int *name, int nlen,
    void *oldval, size_t *oldlenp,
    void *newval, size_t newlen,
    void **context)
{
 int new;
 if (newlen != sizeof(int))
  return -EINVAL;
 if (get_user(new,(int *)newval))
  return -EFAULT;
 if (new != ipv4_devconf.forwarding)
  inet_forward_change(new);
// 把forwarding值赋值为新值后应该可以返回>0的数的，现在不赋值只能返回0继续了
// 不过该strategy函数好象不是必要的，上面的proc_handler函数已经可以处理了
 return 0; /* caller does change again and handles handles oldval */
}

ctl_table ipv4_table[] = {
......
        {NET_IPV4_FORWARD, "ip_forward",
         &ipv4_devconf.forwarding, sizeof(int), 0644, NULL,
         &ipv4_sysctl_forward,&ipv4_sysctl_forward_strategy},
......

4.2 释放函数

释放可读写的/proc文件使用unregister_sysctl_table()函数，该函数在kernel/sysctl.c中定义，声明如下:
void unregister_sysctl_table(struct ctl_table_header * header)

参数就是建立时的返回的struct ctl_table_header结构指针，通常在模块释放函数中调用。

5. 结论

内核中/proc编程现在已经很简单，将/proc目录作为单个的内核参数的控制是很合适的，但不适合大批量的数据传输。