數據庫中Linux內核的ioctl函數學習
Linux是一類Unix計算機操作系統的統稱。Linux操作系統的內核的名字也是“Linux”。Linux操作系統也是自由軟件和開放源代碼發展中最著名的例子。嚴格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內核，但在實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基於Linux內核，並且使用GNU 工程各種工具和數據庫的操作系統。Linux得名於計算機業余愛好者Linus Torvalds。
我這裡說的ioctl函數是在驅動程序裡的，因為我不知道還有沒有別的場合用到了ioctl， 所以就規定了我們討論的范圍。為什麼要寫篇文章呢，是因為我前一陣子被ioctl給搞混了，這幾天才弄明白它，於是在這裡清理一下頭腦。
一、 什麼是ioctl。
ioctl是設備驅動程序中對設備的I/O通道進行管理的函數。所謂對I/O通道進行管理，就是對設備的一些特性進行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉速等等。它的調用個數如下：
int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
其中fd就是用戶程序打開設備時使用open函數返回的文件標示符，cmd就是用戶程序對設備的控制命令，至於後面的省略號，那是一些補充參數，一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關的。
ioctl函數是文件結構中的一個屬性分量，就是說如果你的驅動程序提供了對ioctl的支持，用戶就可以在用戶程序中使用ioctl函數控制設備的I/O通道。
二、 ioctl的必要性
如果不用ioctl的話，也可以實現對設備I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可以在驅動程序中實現write的時候檢查一下是否有特殊 約定的數據流通過，如果有的話，那麼後面就跟著控制命令（一般在socket編程中常常這樣做）。但是如果這樣做的話，會導致代碼分工不明，程序結構混 亂，程序員自己也會頭昏眼花的。
所以，我們就使用ioctl來實現控制的功能。要記住，用戶程序所作的只是通過命令碼告訴驅動程序它想做什麼，至於怎麼解釋這些命令和怎麼實現這些命令，這都是驅動程序要做的事情。
三、 ioctl如何實現
這是一個很麻煩的問題，我是能省則省。要說清楚它，沒有四五千字是不行的，所以我這裡是不可能把它說得非常清楚了，不過如果有讀者對用戶程序怎麼和 驅動程序聯系起來感興趣的話，可以看我前一陣子寫的《write的奧秘》。讀者只要把write換成ioctl，就知道用戶程序的ioctl是怎麼和驅動 程序中的ioctl實現聯系在一起的了。
我這裡說一個大概思路，因為我覺得《Linux設備驅動程序》這本書已經說的非常清楚了，但是得化一些時間來看。
在驅動程序中實現的ioctl函數體內，實際上是有一個switch{case}結構，每一個case對應一個命令碼，做出一些相應的操作。怎麼實 現這些操作，這是每一個程序員自己的事情，因為設備都是特定的，這裡也沒法說。關鍵在於怎麼樣組織命令碼，因為在ioctl中命令碼是唯一聯系用戶程序命 令和驅動程序支持的途徑。
命令碼的組織是有一些講究的，因為我們一定要做到命令和設備是一一對應的，這樣才不會將正確的命令發給錯誤的設備，或者是把錯誤的命令發給正確的設 備，或者是把錯誤的命令發給錯誤的設備。這些錯誤都會導致不可預料的事情發生，而當程序員發現了這些奇怪的事情的時候，再來調試程序查找錯誤，那將是非常 困難的事情。
所以在Linux核心中是這樣定義一個命令碼的：
____________________________________
| 設備類型 | 序列號 | 方向 |數據尺寸|
|----------|--------|------|--------|
| 8 bit | 8 bit |2 bit |8~14 bit|
|----------|--------|------|--------|
這樣一來，一個命令就變成了一個整數形式的命令碼。但是命令碼非常的不直觀，所以Linux Kernel中提供了一些宏，這些宏可根據便於理解的字符串生成命令碼，或者是從命令碼得到一些用戶可以理解的字符串以標明這個命令對應的設備類型、設備 序列號、數據傳送方向和數據傳輸尺寸。
這些宏我就不在這裡解釋了，具體的形式請讀者察看Linux核心源代碼中的和，文件裡給除了這些宏完整的定義。這裡我只多說一個地方，那就是"幻數"。
幻數是一個字母，數據長度也是8，所以就用一個特定的字母來標明設備類型，這和用一個數字是一樣的，只是更加利於記憶和理解。就是這樣，再沒有更復雜的了。
更多的說了也沒有，讀者還是看一看源代碼吧，推薦各位閱讀《Linux 設備驅動程序》所帶源代碼中的short一例，因為它比較短小，功能比較簡單，可以看明白ioctl的功能和細節。
四、 cmd參數如何得出
這裡確實要說一說，cmd參數在用戶程序端由一些宏根據設備類型、序列號、傳送方向、數據尺寸等生成，這個整數通過系統調用傳遞到內核中的驅動程 序，再由驅動程序使用解碼宏從這個整數中得到設備的類型、序列號、傳送方向、數據尺寸等信息，然後通過switch{case}結構進行相應的操作。
要透徹理解，只能是通過閱讀源代碼，我這篇文章實際上只是一個引子。Cmd參數的組織還是比較復雜的，我認為要搞熟它還是得花不少時間的，但是這是值得的，驅動程序中最難的是對中斷的理解。
五、 小結
ioctl其實沒有什麼很難的東西需要理解，關鍵是理解cmd命令碼是怎麼在用戶程序裡生成並在驅動程序裡解析的，程序員最主要的工作量在switch{case}結構中，因為對設備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實現的。
一般的說，,用戶空間的IOCTL系統調用如下所示: ioctl(int fd, int command, (char *) argstruct)因為這個調用擁有與網絡相關的代碼,所以文件描述符號fd就是socket()系統調用所返回的,而command參數可以是 /usr/include/linux/sockios.h頭文件中的任何一個,這些個命令根據它可以解決的問題所涉及的方面被分為多種的類型.
比如:
改變路由表（SIOCADDRT, SIOCDELRT）
讀取或更新ARP/RARP緩存（SIOCDARP, SIOCSRARP）
一般的和網絡有關的函數（SIOCGIFNAME, SIOCSIFADDR等等）
Goodies目錄中包含了很多展示ioctl用法的示例程序,看這些程序的時候,注意根據ioctl的命令類型來學習具體的調用參數結構,比 如:和路由表相關的IOCTL用RTENTRY結構, rtentry結構是被定義在/usr/include/linux/route.h文件中的，再一個和ARP相關的ioctl調用用到的arpreq結 構被定義在/usr/include/linux/if_arp.h文件之中.網絡接口相關的ioctl命令最具有代表性的特征為都是以S或G開頭,其實 就是設置或得到數據, getifinfo.c程序用這些命令去讀取IP地址信息,硬件地址信息，廣播地址信息,和與網絡接口相關的標志.對於這些ioctl,第三個參數是一個 IFREQ結構體,這個結構體被定義在/usr/include/linux/if.h頭文件中,在一些情況下,新的ioctl命令可能被需要（除了在那 個頭文件中被定義的之外）,比如 WAVELAN無線網卡保持著無線信號強度的信息,這些信西可能要 對用戶程序有用.用戶程序是怎麼訪問到這些信息的呢?我們的第一反應就是定義一個新的命令在sockios.h頭文件中，比如 SIOCGIFWVLNSS,不幸的是,這個命令在其他的網絡接口上是根本沒有意義的,另外試圖在其他接口上用這個名另而並非是在無線網口上用會出現違規 訪問,我們需要的是定義新特性接口命令的機理。幸運的是,LINUX操作系統為此目的內置了鉤子,如果你再看一下那個頭文件sockios.h你會注意到 每一個設備都有一個預定義的SIOCDEVPRIVATE命令，實現它的任務就全權交給了寫這個設備驅動的程序員了.根據常規約定,一個用戶程序調用一個 特定的ioctl命令如下: ioctl(sockid, SIOCDEVPRIVATE, (char *) &ifr)這裡ifr是一個ifreq結構體變量,它用一個和這個設備聯系的接口名稱填充ifr的ifr NAME域,比如,前述的無線網卡接口名稱為eth1。
不失一般性,一個用戶程序將同樣要與內核交換命令參數和操作結果,而這些已經通過一個域ifr.ifr_data的填充而做到了,比如,這個網 卡的信號強度信息被返回到這個域當中。LINUX源代碼已經包含了兩個特殊設備de4x5和ewrk3,他們定義和實現了特殊的ioctl命令.,這些設 備的源代碼在以下的文件中：de4x5.h, de4x5.c, ewrk3.h, ewrk3.c, 他們兩個設備都為在用戶空間和驅動間交換數據定義了他們自己的私有結構,在ioctl之前,用戶程序填充了需要的數據並且將ifr.ifr_data指向 這個結構體.
我們在兩個驅動中走的更遠些從而進入代碼前,讓我們跟蹤一下處理ioctl系統調用的若干步驟,,所有接口類型的ioctl請求都導致 dev_ioctl()被調用,這個ioctl僅僅是個包裝,大部分的真實的操作留給了dev_ifsioc().，這個dev_ioctl()要做的唯 一一個事情就是檢查調用過程是否擁有合適的許可去核發這個命令，然後dev_ifsioc()首先要做的事情之一就是得到和名字域 ifr.ifr_name中所對應的設備結構，這在一個很大的switch語塊的代碼後實現。
SIOCDEVPRIVATE命令和SIOCDEVPRIVATE+15的命令參數全部交給了默認操作,這些都是switch的分支語句.這裡 發生的是,內核檢查是否一個設備特殊的ioctl的回調已經在設備結構中被設置，這個回調是保持在設備結構中的一個函數指針。如果回調已經被設置了.內核 就會調用它.
所以,為了實現一個特殊的ioctl,需要做的就是寫一個特殊ioctl的回調，然後讓device結構中的do_ioctl域指向它,對於 EWK3設備，這個函數叫做ewrk3_ioctl(),對應的設備結構在ewrk3_init()中被初始化,ewrk3_ioctl()的代碼清晰的 展示了ifr.ifr_data的作用 ,是為了在用戶程序和驅動之間交換信息。注意，內存的這個區域有雙方向交換數據的作用,例如,在ewrk3驅動代碼中,ifr.ifr_data最初的2 個字節被用做向驅動傳遞預想要的動作。同樣第五個字節指向的緩沖區用於交換其他的信息。
當你浏覽ewrk3_ioctl()代碼的時候,記住在一個應用中用戶空間的指令是無法訪問內核空間的,由於這個原因 ,2個特殊的步驟提供給了驅動編寫人員.他們是memcpy_tofs()和memcpy_fromfs()。內核裡的做法是用 memcpy_tofs() 拷貝內核數據到用戶空間,類似的memcpy_fromfs()也是這樣的,只是他拷貝用戶數據到內核空間.。這些程序步驟是由於調用 verify_area()而被執行的,目的是確認數據訪問不會違法。同樣記住printk()的用法是打印調試信息,這個函數和printf()很相 象,但是它不能處理浮點數據,printf()函數在內核中是不能被使用的。由printk()產生的輸出被轉儲到了一個目錄./usr/adm /messages。
linux系統ioctl使用示例
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程序1：檢測接口的 .net_addr,netmask,broad_addr
程序2：檢查接口的物理連接是否正常
