详解Linux用户态与内核态通信的几种方式

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：

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，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：

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/

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：

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

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：

#include <asm/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>

netlink_socket = socket(AF_NETLINK, socket_type, netlink_family);

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。