4. 用戶空間和內(nèi)核空間的交互

  在解決了在內(nèi)核空間置入可運(yùn)行代碼后，需要解決的是用戶空間和內(nèi)核空間的交互。具體來說，需要達(dá)到以下三個(gè)功能：用戶空間的程序向內(nèi)核空間下的程序控制，用戶空間到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)傳遞。以下小節(jié)，都旨在利用系統(tǒng)提供給我們的各種接口，實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)目標(biāo)中的一個(gè)或幾個(gè)。

4.1 printk

  printk是內(nèi)核用來記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志的方法。對(duì)于用戶，可以通過dmesg命令查看近期的系統(tǒng)日志信息，或者直接訪問/var/log/kernel 查看內(nèi)核輸出的所有歷史log。在kernel module中調(diào)用printk是最簡單的傳遞信息到用戶空間的方法。printk函數(shù)的使用方法和用戶態(tài)下的printf類似，區(qū)別是可以通過 KERN_INFO等宏輸出從0-7的指定級(jí)別的log信息。常見的使用方式如下：
char myname[] = "chinacodec\n";
printk(KERN_INFO "Hello, world %s!\n", myname);

4.2 偽字符設(shè)備
  在linux中，用戶對(duì)設(shè)備的操作往往被抽象為對(duì)文件的操作。利用這一特性，可以通過注冊(cè)和實(shí)現(xiàn)偽字符設(shè)備到內(nèi)核，來實(shí)現(xiàn)用戶進(jìn)程和內(nèi)核空間的交互。當(dāng)在用戶空間執(zhí)行對(duì)該偽設(shè)備的open/read/write/ioctl/mmap/release等操作時(shí)，這些被復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用就會(huì)使進(jìn)程從用戶態(tài)進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)，從而在內(nèi)核中完成事先注冊(cè)的操作，當(dāng)然可以包括對(duì)KAPI的調(diào)用等。

  具體方法是，首先，在kernel module中通過register_chrdev注冊(cè)一種偽字符設(shè)備到內(nèi)核，參數(shù)包括：設(shè)備的major號(hào)，需要和系統(tǒng)已有設(shè)備不沖突；設(shè)備的名稱name；文件操作函數(shù)集fops。register_chrdev的定義如下：
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);

  其中，結(jié)構(gòu)file_operations中包含一系列的函數(shù)指針，對(duì)應(yīng)每種系統(tǒng)調(diào)用(包含read/write/open等)，使用中，可以用如下的方式賦值（而不必為每一個(gè)元素都賦值），那些未顯式賦值的元素被賦值為null。

static struct file_operations fops = {
.read = device_read,
.write = device_write,
.ioctl = device_ioctl,
.open = device_open,
.release = device_release
};

  register_chrdev一般在kernel module中的init函數(shù)中執(zhí)行，當(dāng)insmod這個(gè)module時(shí)，設(shè)備就被注冊(cè)到內(nèi)核中。然后，用戶就可以通過mknod命令可以創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的字符設(shè)備文件。然后通過open/write/read/ioctl/mmap/release等系統(tǒng)調(diào)用以訪問設(shè)備文件的方式，訪問該設(shè)備。每種調(diào)用都會(huì)執(zhí)行到在注冊(cè)設(shè)備時(shí)注冊(cè)的對(duì)應(yīng)的文件操作函數(shù)。此外，對(duì)應(yīng)于register_chrdev，從內(nèi)核卸載該偽設(shè)備驅(qū)動(dòng)的函數(shù)為 unregister_chrdev。

  以ioctl為例，當(dāng)以上面的file_operations注冊(cè)了偽字符設(shè)備后，當(dāng)用戶對(duì)偽設(shè)備文件執(zhí)行ioctl后，調(diào)用會(huì)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行 device_ioctl函數(shù)。如果我們?cè)谧远x的device_ioctl函數(shù)中去調(diào)用KAPI，就實(shí)現(xiàn)了用戶進(jìn)程對(duì)KAPI的訪問。

4.3 普通文件讀寫 

內(nèi)核態(tài)中，可以完成對(duì)用戶文件系統(tǒng)任意文件的訪問。因此，可以在內(nèi)核態(tài)將要輸出的信息寫入文件，寫入后用戶態(tài)程序直接讀取文件就可以完成從內(nèi)核空間向用戶空間的數(shù)據(jù)傳遞。但是在內(nèi)核態(tài)下，對(duì)文件進(jìn)行訪問的調(diào)用函數(shù)和用戶態(tài)下的系統(tǒng)調(diào)用有所區(qū)別。通常的使用方法是通過filp_open打開文件，然后利用獲得的文件指針得到文件操作函數(shù)，以讀取和寫入文件，基本代碼如下：
tmp _filp = filp_open(dst_file_name, O_RDWR | O_CREAT, 00);

tmp _copied = dst_filp->f_op->write(tmp_filep, buffer, size, offset);

tmp _len = dst_filp->f_op->read(tmp _filep, buffer, size, offset);

  因?yàn)槭窃趦?nèi)核中對(duì)文件操作，所以為了通過系統(tǒng)調(diào)用中對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)存地址參數(shù)的檢查，需要修改檢查允許范圍。方法是在read或write操作前通過set_fs擴(kuò)大允許空間，操作后再通過setfs恢復(fù)到此前的允許范圍，具體方法是：

orig_fs = get_fs();
set_fs(KERNEL_DS);
//write or read
set_fs(orig_fs);

4.4 Proc文件系統(tǒng)

  proc文件系統(tǒng)，是當(dāng)前內(nèi)核或內(nèi)核模塊，和用戶交互的主要方式，它通過將虛擬的文件系統(tǒng)掛載在/proc下，利用虛擬文件讀寫在用戶和內(nèi)核態(tài)間傳遞信息。通過內(nèi)核模塊，可以向/proc下注冊(cè)新的文件，指定用戶讀寫該文件時(shí)的回調(diào)函數(shù)；這樣，當(dāng)用戶讀寫該文件時(shí)，工作在內(nèi)核態(tài)的回調(diào)函數(shù)就可以執(zhí)行信息交互的有關(guān)工作。

  向內(nèi)核中注冊(cè)/proc下文件的調(diào)用是create_proc_entry，創(chuàng)建中需要指定文件名，訪問權(quán)限和父節(jié)點(diǎn)名，返回為指向 proc_dir_entry結(jié)構(gòu)的指針。通過該返回指針，可以進(jìn)一步修改文件的用戶id，組id，綁定的內(nèi)核數(shù)據(jù)等；但最為關(guān)鍵的是可以指定用戶讀或?qū)懺撐募r(shí)，在內(nèi)核中被執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。下面是一個(gè)向proc文件系統(tǒng)中注冊(cè)新文件的示例：

static int __init proc_module_init(void){
entry = create_proc_entry("astring", 0644, myprocroot);
if (entry) {
entry->data = &string_var;
entry->read_proc = &string_read_proc;
entry->write_proc = &string_write_proc;
}
return 0
}
static void __exit procfs_exam_exit(void){
remove_proc_entry("astring", myprocroot);
remove_proc_entry("myproctest", NULL);
}
//read proc
int string_read_proc(char *page, char **start, off_t off,
int count, int *eof, void *data){
count = sprintf(page, "%s", (char *)data);
return count;
}
//write proc
int string_write_proc(struct file *file, const char __user *buffer,
unsigned long count, void *data){
if (count > STR_MAX_SIZE) {
count = 255;
}
copy_from_user(data, buffer, count);
return count;
}