Linux 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)由于 CPU 權(quán)限的限制，通信并不像想象中的使用進程間通信方式那么簡單，今天這篇文章就來看看 Linux 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)究竟有哪些通信方式。

我們平常在寫代碼時，一般是在用戶空間，通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來訪問內(nèi)核空間，這是最常用的一種用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)通信的方式。（關(guān)于 Linux 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)可以參考 xx）

除此之外，還有以下四種方式：

• procfs(/proc)

• sysctl(/proc/sys)

• sysfs(/sys)

• netlink 套接口

procfs(/proc)

procfs是 進程文件系統(tǒng) 的縮寫，它本質(zhì)上是一個偽文件系統(tǒng)，為什么說是 偽 文件系統(tǒng)呢？因為它不占用外部存儲空間，只是占用少量的內(nèi)存，通常是掛載在 /proc目錄下。

我們在該目錄下看到的一個文件，實際上是一個內(nèi)核變量。內(nèi)核就是通過這個目錄，以文件的形式展現(xiàn)自己的內(nèi)部信息，相當(dāng)于/proc目錄為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的交互搭建了一個橋梁，用戶態(tài)讀寫/proc下的文件，就是讀寫內(nèi)核相關(guān)的配置參數(shù)。

比如常見的/proc/cpuinfo、/proc/meminfo和/proc/net就分別提供了 CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)。除此之外，還有很多的參數(shù)，如下所示：

root@ubuntu:~# ls /proc/
1   1143 1345 1447 2   2292 29  331  393 44  63  70  76  acpi    diskstats  irq     locks     sched_debug  sysvipc      zoneinfo
10  1145 1357 148  20  23  290 332  396 442  64  7019 77  asound   dma     kallsyms   mdstat    schedstat   thread-self
1042 1149 1361 149  2084 2425 291 34  398 45  65  7029 8  buddyinfo driver    kcore    meminfo    scsi      timer_list
1044 1150 1363 15  2087 25  3  3455 413 46  66  7079 83  bus    execdomains keys     misc     self      timer_stats
1046 1151 1371 16  2090 256  30  35  418 47  6600 7080 884 cgroups  fb      key-users  modules    slabinfo    tty
1048 1153 1372 17  21  26  302 36  419 5   67  71  9  cmdline  filesystems kmsg     mounts    softirqs    uptime
11  1190 1390 18  22  27  31  37  420 518  6749 72  96  consoles  fs      kpagecgroup mtrr     stat      version
1126 12  143  182  2214 28  32  373  421 524  68  73  97  cpuinfo  interrupts  kpagecount  net      swaps     version_signature
1137 1252 1434 184  2215 280  327 38  422 525  69  74  98  crypto   iomem    kpageflags  pagetypeinfo sys      vmallocinfo
1141 13  144  190  2262 281  33  39  425 5940 7   75  985 devices  ioports   loadavg   partitions  sysrq-trigger vmstat

可以看到，這里面有很多的數(shù)字表示的文件，這些其實是當(dāng)前系統(tǒng)運行的進程文件，數(shù)字表示進程號（PID），每個文件包含該進程所有的配置信息，包括進程狀態(tài)、文件描述符、內(nèi)存映射等等，我們可以看下：

root@ubuntu:~# ls /proc/1/
attr/      cmdline     environ     io        mem       ns/       pagemap     schedstat    stat       timers
autogroup    comm       exe       limits      mountinfo    numa_maps    personality   sessionid    statm      uid_map
auxv       coredump_filter fd/       loginuid     mounts      oom_adj     projid_map    setgroups    status      wchan
cgroup      cpuset      fdinfo/     map_files/    mountstats    oom_score    root/      smaps      syscall     
clear_refs    cwd/       gid_map     maps       net/       oom_score_adj  sched      stack      task/

綜上，內(nèi)核通過一個個的文件來暴露自己的系統(tǒng)配置信息，這些文件，有些是只讀的，有些是可寫的，有些是動態(tài)變化的，比如進程文件，當(dāng)應(yīng)用程序讀取某個 /proc/文件時，內(nèi)核才會去注冊這個文件，然后再調(diào)用一組內(nèi)核函數(shù)來處理，將相應(yīng)的內(nèi)核參數(shù)拷貝到用戶態(tài)空間，這樣用戶讀這個文件就可以獲取到內(nèi)核的信息。一個大概的圖示如下所示：

sysctl

我們熟悉的 sysctl 是一個 Linux 命令，man sysctl可以看到它的功能和用法。它主要是被用來修改內(nèi)核的運行時參數(shù)，換句話說，它可以在內(nèi)核運行過程中，動態(tài)修改內(nèi)核參數(shù)。

它本質(zhì)上還是用到了文件的讀寫操作，來完成用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的通信。它使用的是/proc的一個子目錄/proc/sys。和 procfs 的區(qū)別在于：

procfs 主要是輸出只讀數(shù)據(jù)，而 sysctl 輸出的大部分信息是可寫的。

例如，我們比較常見的是通過cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 來獲取內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)層是否允許轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)包，通過echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward或者 sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1來設(shè)置內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)層允許轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)包。

同樣的操作，Linux 也提供了文件/etc/sysctl.conf[來讓你進行批量修改。

sysfs

sysfs 是 Linux 2.6 才引入的一種虛擬文件系統(tǒng)，它的做法也是通過文件/sys來完成用戶態(tài)和內(nèi)核的通信。和 procfs 不同的是，sysfs 是將一些原本在 procfs 中的，關(guān)于設(shè)備和驅(qū)動的部分，獨立出來，以 “設(shè)備樹” 的形式呈現(xiàn)給用戶。

sysfs 不僅可以從內(nèi)核空間讀取設(shè)備和驅(qū)動程序的信息，也可以對設(shè)備和驅(qū)動進行配置。

我們看下/sys下有什么：

# ls /sys
block bus class dev devices firmware fs hypervisor kernel module power

可以看到這些文件基本上都跟計算機的設(shè)備和驅(qū)動等息息相關(guān)的。更多關(guān)于這些文件的解釋大家可以自行了解，這里就不過多展開了。

netlink

netlink 是 Linux 用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)通信最常用的一種方式。Linux kernel 2.6.14 版本才開始支持。它本質(zhì)上是一種 socket，常規(guī) socket 使用的標(biāo)準(zhǔn) API，在它身上同樣適用。比如創(chuàng)建一個 netlink socket，可以調(diào)用如下的 socket 函數(shù)：

#include <asm/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>
netlink_socket = socket(AF_NETLINK, socket_type, netlink_family);

netlink 這種靈活的方式，使得它可以用于內(nèi)核與多種用戶進程之間的消息傳遞系統(tǒng)，比如路由子系統(tǒng)，防火墻（Netfilter），ipsec 安全策略等等。

引申：

net-tools 工具通過 procfs(/proc) 和 ioctl 系統(tǒng)調(diào)用去訪問和改變內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，而 iproute2 則通過 netlink 套接字接口與內(nèi)核通信，前者已經(jīng)被淘汰了，后者逐步成為標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

Linux 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)通信主要的四種方式，其中 netlink 和 procfs 是最常見的方式。