Linux 用户态和内核态由于 CPU 权限的限制,通信并不像想象中的使用进程间通信方式那么简单,今天这篇文章就来看看 Linux 用户态和内核态究竟有哪些通信方式。
我们平常在写代码时,一般是在用户空间,通过系统调用函数来访问内核空间,这是最常用的一种用户态和内核态通信的方式。(关于 Linux 用户态和内核态可以参考 xx)
除此之外,还有以下四种方式:
procfs(/proc) sysctl(/proc/sys) sysfs(/sys) netlink 套接口procfs(/proc)
procfs 是 进程文件系统 的缩写,它本质上是一个伪文件系统,为什么说是 伪 文件系统呢?因为它不占用外部存储空间,只是占用少量的内存,通常是挂载在 /proc 目录下。
我们在该目录下看到的一个文件,实际上是一个内核变量。内核就是通过这个目录,以文件的形式展现自己的内部信息,相当于 /proc 目录为用户态和内核态之间的交互搭建了一个桥梁,用户态读写 /proc 下的文件,就是读写内核相关的配置参数。
比如常见的 /proc/cpuinfo、/proc/meminfo 和 /proc/net 就分别提供了 CPU、内存、网络的相关参数。除此之外,还有很多的参数,如下所示:
可以看到,这里面有很多的数字表示的文件,这些其实是当前系统运行的进程文件,数字表示进程号(PID),每个文件包含该进程所有的配置信息,包括进程状态、文件描述符、内存映射等等,我们可以看下:
综上,内核通过一个个的文件来暴露自己的系统配置信息,这些文件,有些是只读的,有些是可写的,有些是动态变化的,比如进程文件,当应用程序读取某个 /proc/ 文件时,内核才会去注册这个文件,然后再调用一组内核函数来处理,将相应的内核参数拷贝到用户态空间,这样用户读这个文件就可以获取到内核的信息。一个大概的图示如下所示:
sysctl
我们熟悉的 sysctl 是一个 Linux 命令,man sysctl 可以看到它的功能和用法。它主要是被用来修改内核的运行时参数,换句话说,它可以在内核运行过程中,动态修改内核参数。
它本质上还是用到了文件的读写操作,来完成用户态和内核态的通信。它使用的是 /proc 的一个子目录 /proc/sys。和 procfs 的区别在于:
procfs 主要是输出只读数据,而 sysctl 输出的大部分信息是可写的。
例如,我们比较常见的是通过 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 来获取内核网络层是否允许转发 IP 数据包,通过 echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 或者 sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1 来设置内核网络层允许转发 IP 数据包。
同样的操作,Linux 也提供了文件 /etc/sysctl.conf 来让你进行批量修改。
sysfs
sysfs 是 Linux 2.6 才引入的一种虚拟文件系统,它的做法也是通过文件 /sys 来完成用户态和内核的通信。和 procfs 不同的是,sysfs 是将一些原本在 procfs 中的,关于设备和驱动的部分,独立出来,以 “设备树” 的形式呈现给用户。
sysfs 不仅可以从内核空间读取设备和驱动程序的信息,也可以对设备和驱动进行配置。
我们看下 /sys 下有什么:
可以看到这些文件基本上都跟计算机的设备和驱动等息息相关的。更多关于这些文件的解释大家可以自行了解,这里就不过多展开了。
netlink
netlink 是 Linux 用户态与内核态通信最常用的一种方式。Linux kernel 2.6.14 版本才开始支持。它本质上是一种 socket,常规 socket 使用的标准 API,在它身上同样适用。比如创建一个 netlink socket,可以调用如下的 socket 函数:
netlink 这种灵活的方式,使得它可以用于内核与多种用户进程之间的消息传递系统,比如路由子系统,防火墙(Netfilter),ipsec 安全策略等等。
引申:
net-tools 工具通过 procfs(/proc) 和 ioctl 系统调用去访问和改变内核网络参数配置,而 iproute2 则通过 netlink 套接字接口与内核通信,前者已经被淘汰了,后者逐步成为标准。
总结
Linux 用户态和内核态通信主要的四种方式,其中 netlink 和 procfs 是最常见的方式。
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持服务器之家。
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