用户态至内核态的通讯
Linux下用户态和内核态内存共享的实现
1 引言Linux 是一类Unix计算机操作系统的统称。
Linux 操作系统的内核的名字也是“Linux”。
Linux 操作系统也是自由软件和开放源代码发展中最著名的例子。
Linux 是一套免费使用和自由传播的类Unix 操作系统。
无论是普通用户还是企业用户都可以编写自己的内核代码，再加上对标准内核的裁剪从而制作出适合自己的操作系统。
一个或多个内核模块的实现并不能满足一般 Linux 系统软件的需要，因为内核的局限性太大，如不能在终端上打印，不能做大延时的处理等等。
当需要做这些的时候，就需要将在内核态采集到的数据传送到用户态的一个或多个进程中进行处理。
这样，内核态与用空间进程通信的方法就显得尤为重要。
将列举 Linux 下基于 Netlink 机制的内核态与用户态进程通信的方法以及如何实现用户态和内核态的内存共享。
2 用户态和内核态用户态与内核态是操作系统的两种运行级别，IntelCPU提供Ring0-Ring33种级别的运行模式。
Ring0级别最高Ring3最低。
用户态：当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态即用户态。
此时处理器在特权级最低的（3 级）用户代码中运行。
内核态：当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，就称进程处于内核运行态或简称为内核态。
此时处理器处于特权级最高的 0 级内核代码中执行。
当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。
在内核态下 CPU 可执行任何指令，在用户态下 CPU 只能执行非特权指令。
当 CPU 处于内核态，可以随意进入用户态；而当 CPU 处于用户态时，用户从用户态切换到内核态只有在系统调用和中断两种情况下发生，一般程序一开始都是运行于用户态，当程序需要使用系统资源时，就必须通过调用软中断进入内核态。
3 Linux 的用户态和内核态Linux 使用了 Ring3 级别运行用户态，Ring0 作为内核态。
Ring3状态不能访问 Ring0的地址空间包括代码和数据Linux 进程的 4GB 地址空间，3GB-4GB 部分是共享的，是内核态的地址空间，这里存放着整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据。
NetLink使用实例(YGM)
如何使用Netlink Connector Author: Yang gongming简介：本文详细介绍了 Linux 2.6.34.14 内核引入的内核空间与用户空间通信的新机制连接器，并通过典型示例讲解了它的使用。
一、概述连接器是一种新的用户态与内核态的通信方式，它使用起来非常方便。
本质上，连接器是一种netlink，它的 netlink 协议号为 NETLINK_CONNECTOR，与一般的 netlink 相比，它提供了更容易的使用接口，使用起来更方便。
netlink本质上是socket,不过它可用于用户程序和内核程序的通信。
1.内核模块使用方法注册一个标识 ID 和回调函数，即可使用连接器。
cn_msg结构：//标识netlink的IDstruct cb_id{__u32 idx;__u32 val;};//netlink控制信息头struct cn_msg{struct cb_id id;__u32 seq;__u32 ack;__u32 len;/* Length of the following data */__u8 data[0];};三个内核模块常用的API。
int cn_add_callback(struct cb_id *id, char *name, void (*callback) (void *));void cn_del_callback(struct cb_id *id);void cn_netlink_send(struct cn_msg *msg, u32 __group, int gfp_mask);结构 cb_id 是连接器实例的标识 ID，它用于确定 netlink 消息与回调函数的对应关系。
当连接器接收到标识 ID 为 {idx，val} 的 netlink 消息时，注册的回调函数 void (*callback) (void *) 将被调用。
该回调函数的参数为结构struct cn_msg 的指针。
用户空间和内核空间通讯之【Netlink下】
用户空间和内核空间通讯之【Netlink下】在上一篇博文中我们所遇到的情况都是用户空间作为消息进程的发起者，Netlink还支持内核作为消息的发送方的情况。
这一般用于内核主动向用户空间报告一些内核状态，例如我们在用户空间看到的USB的热插拔事件的通告就是这样的应用。
先说一下我们的目标，内核线程每个一秒钟往一个多播组里发送一条消息，然后用户空间所以加入了该组的进程都会收到这样的消息，并将消息内容打印出来。
Netlink地址结构体中的nl_groups是32位，也就是说每种Netlink协议最多支持32个多播组。
如何理解这里所说的每种Netlink 协议？在</usr/include/linux/netlink.h>里预定义的如下协议都是Netlink协议簇的具体协议，还有我们添加的NETLINK_TEST也是一种Netlink协议。
1.#define NETLINK_ROUTE 0 /*Routing/device hook */2.#define NETLINK_UNUSED 1 /*Unused number */3.#define NETLINK_USERSOCK 2 /*Reserved for user mode socket protocols */4.#define NETLINK_FIREWALL 3 /*Firewalling hook */5.#define NETLINK_INET_DIAG 4 /*INET socket monitoring */6.#define NETLINK_NFLOG 5 /*netfilter/iptables ULOG */7.#define NETLINK_XFRM 6 /* ipsec */8.#define NETLINK_SELINUX 7 /*SELinux event notifications */9.#define NETLINK_ISCSI 8 /* Open-iSCSI */10.#define NETLINK_AUDIT 9 /* auditing */11.#define NETLINK_FIB_LOOKUP 1012.#define NETLINK_CONNECTOR 1113.#define NETLINK_NETFILTER 12 /*netfilter subsystem */14.#define NETLINK_IP6_FW 1315.#define NETLINK_DNRTMSG 14 /*DECnet routing messages */16.#define NETLINK_KOBJECT_UEVENT 15 /*Kernel messages to userspace */17.#define NETLINK_GENERIC 1618./* leave room for NETLINK_DM (DM Events)*/19.#define NETLINK_SCSITRANSPORT 18 /*SCSI Transports */20.#define NETLINK_ECRYPTFS 1921.#define NETLINK_TEST 20 /* 用户添加的自定义协议 */在我们自己添加的NETLINK_TEST协议里，同样地，最多允许我们设置32个多播组，每个多播组用1个比特表示，所以不同的多播组不可能出现重复。
Linux用户态与内核态的交互
Linux 用户态与内核态的交互Linux用户态与内核态的交互2010-06-13 22：30Linux用户态与内核态的交互在Linux 2.4版以后版本的内核中，几乎全部的中断过程与用户态进程的通信都是使用netlink套接字实现的，例如iprote2网络管理工具，它与内核的交互就全部使用了netlink，著名的内核包过滤框架Netfilter在与用户空间的通读，也在最新版本中改变为netlink，无疑，它将是Linux用户态与内核态交流的主要方法之一。
它的通信依据是一个对应于进程的标识，一般定为该进程的ID。
当通信的一端处于中断过程时，该标识为0。
当使用netlink套接字进行通信，通信的双方都是用户态进程，则使用方法类似于消息队列。
但通信双方有一端是中断过程，使用方法则不同。
netlink套接字的最大特点是对中断过程的支持，它在内核空间接收用户空间数据时不再需要用户自行启动一个内核线程，而是通过另一个软中断调用用户事先指定的接收函数。
《UNIX Network Programming Volume 1-3rd Edition》第18章讲到BSD UNIX系统中routing socket的应用，这种套接字是按下面方式生成的：rt_socket=socket(AF_ROUTE,SOCK_RAW,0)；然后就可以用它跟内核交互，进行网络环境管理的操作，如读取/设置/删除路由表信息，更改网关等等，但书中所列代码只在4.3BSD及以后版本的原始UNIX系统下可用，Linux虽然实现了AF_ROUTE族套接字，但用法却完全不同。
由于网上这方面知识的资料想对匮乏，现对Linux下routing socket的使用做一介绍。
由于我现在在MagicLinux1.0下工作，所以以下的讲解全部基于2.4.10内核。
Linux从v2.2开始引入这一机制，因此可以肯定从v2.2到v2.4的内核都是适用的，更新的v2.6我没有试过。
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理用户态到内核态的转化是操作系统内核完成的一个重要任务，涉及到许多复杂的机制与过程，以实现用户程序从用户模式转变到内核模式的转化过程。
首先，用户态到内核态的转化过程需要处理器和内存管理单元等硬件设备的支持。
处理器提供了中断机制来辅助这个过程，这也是处理器管理进程和线程发生切换的基础。
首先处理器能够字段不同级别的中断，最重要的就是系统调用中断，在用户空间可以调用syscalls API来实现，当调用该函数时将产生一个中断，这个中断可能会触发内核态代码的调用，将进程从用户空间转变到内核空间。
其次，内核会根据每个不同的系统调用分支出不同的控制路径，每个控制路径会进行实际的系统调用处理，以满足用户的所有需求。
任何用户空间的系统调用都会引起内核态的进程切换，此过程可以看作是用户态和内核态之间的转换。
最后，在内核态运行时，操作系统会检查系统调用的参数，如果参数正确就会访问设备，如果设备可用就会根据需要访问内存，间接
实现用户态到内核态的转化。
最终，内核根据AIEO(前言-检查-执行-
返回)的机制来检查和完成系统调用，然后将用户空间的程序环境保存，返回到用户空间，让用户程序继续执行。
总而言之，用户态到内核态的转换过程是处理器和内存管理单元
等硬件设备通过中断机制，来通过进程和线程的切换，并调用系统调
用API函数收集必要信息，同时切换程序的运行状态到内核态，然后
依照AIEO的机制来完成系统调用的处理，最后再将用户程序的运行状
态从内核态重新切换到用户态，完成用户态到内核态的转换过程。
linux用户态和内核态的转换
linux用户态和内核态的转换原文链接：/question/363231653.html当一个任务（进程）执行系统调用而执行内核代码时，称进程处于内核内核态，此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行，当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈,每个进程都有自己的内核栈。
当进程执行用户代码时，称其处于用户态，此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。
当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态,因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。
这与处于内核态的进程的状态有些类似。
内核态与用户态是操作系统的两种运行级别,跟intel cpu没有必然的联系，intel cpu提供Ring0-Ring3三种级别的运行模式，Ring0级别最高，Ring3最低。
Linux使用了Ring3级别运行用户态，Ring0作为内核态，没有使用Ring1和Ring2。
Ring3状态不能访问Ring0的地址空间，包括代码和数据。
Linux进程的4GB地址空间，3G-4G部分大家是共享的，是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据。
用户运行一个程序，该程序所创建的进程开始是运行在用户态的，如果要执行文件操作，网络数据发送等操作，必须通过write，send等系统调用，这些系统调用会调用内核中的代码来完成操作，这时，必须切换到Ring0，然后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执行这些代码完成操作，完成后，切换回Ring3，回到用户态。
这样，用户态的程序就不能随意操作内核地址空间，具有一定的安全保护作用。
保护模式，通过内存页表操作等机制，保证进程间的地址空间不会互相冲突，一个进程的操作不会修改另一个进程的地址空间中的数据。
在内核态下，CPU可执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。
当CPU处于内核态，可以随意进入用户态；而当CPU处于用户态，只能通过中断的方式进入内核态。
Linux内核空间与用户空间通信机制的研究
Linux内核空间与用户空间通信机制的研究Linux kernel space and user space communicationmechanism摘要Linux是一个源码开放的操作系统，无论是普通用户还是企业用户都可以编写自己的内核代码，再加上对标准内核的裁剪从而制作出适合自己的操作系统，深受大家喜爱。
Linux系统中，在使用虚拟内存技术的多任务系统上，内核和用户有不同的地址空间，因此，在内核与用户之间进行数据交换需要专门的机制来实现。
一个或多个内核模块的实现并不能满足一般Linux 系统软件的需要，因为内核的局限性太大，内核空间与用户空间进程通信的方法就显得尤为重要。
本文将列举几种内核态与用户态进程通信的方法：Netlink通信机制，基于文件系统的通信机制，内核启动参数通信机制，并用实验板对几种重要的通信机制进行验证，详细分析它们的实现和适用环境，优缺点，并做出比较。
提供用户适合使用这种通信机制的环境，以便更好的运用Linux操作系统。
关键字内核空间用户空间地址空间ABSTRACTLinux is an open source operating system, whether ordinary users or business users can write your own kernel code, with the modification of the standard kernel，everyone can make up their own operating system, which makes Linux popular.In Linux systems, in the use of multi-tasking system with virtual memory technology, the kernel and the user have different address spaces, so the change of data between kernel and user needs Special Method to achieve. One or more kernel modules can not meet the general needs of Linux system software, just because the limitations of the kernel, make it important that the process communication method between kernel space and user space. In this article I will list some kernel mode and user mode process communication methods: Netlink communication mechanism, communication mechanism based on the file system, the kernel boot parameters of communication mechanism.I will analysis of their implementation, application environment, the advantages and disadvantages in detail, and make the comparison. I will provide users with suitable environment for each communication mechanism in order to let others make good use of Linux operating system.Keywords kernel space user space address spaces目录第一章绪论 (1)1.1操作系统发展史 (1)1.2选题背景及研究意义 (2)1.3主要工作 (2)第二章内核空间与用户空间通信机制概述 (4)2.1L INUX嵌入式操作系统简介 (4)2.2课题研究所需知识点解释 (4)2.3内核空间与用户空间通信概述 (5)第三章用户空间与内核空间通信机制 (9)3.1N ETLINK通信机制 (9)3.2基于文件系统的通信机制 (14)3.3内核启动参数通信机制 (22)第四章典型通信机制的验证 (24)4.1验证环境简介 (24)4.2N ETLINK通信机制 (24)4.3 PROCFS通信使用方法 (27)4.4系统调用的使用方法 (29)第五章结论 (32)5.1九种通信机制总结 (32)致谢 (33)参考文献 (34)第一章绪论1.1 操作系统发展史操作系统的发展历程和计算机硬件的发展历程是密切相关的。
Linux中与内核通信的Netlink机制
Linux中与内核通信的Netlink机制Netlink在2.6版本的内核中变化也是很大的，在最新的2.6.37内核中，其定义已经改成下面这种形式，传递的参数已经达到6个。
其中第一个参数和mutex参数都是最新添加的。
Mutex 也可以为空。
这里主要是关于内核空间中的netlink函数的使用。
extern struct sock *netlink_kernel_create(struct net *net,int unit,unsigned int groups,void (*input)(struct sk_buff *skb),struct mutex *cb_mutex,struct module *module);struct net是一个网络名字空间namespace，在不同的名字空间里面可以有自己的转发信息库，有自己的一套net_device等等。
默认情况下都是使用init_net这个全局变量，下面是内核中调用netlink_kernel_create()函数的一个示例。
在内核中，audit_sock = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_AUDIT, 0,audit_receive, NULL, THIS_MODULE);模块调用函数netlink_unicast 来发送单播消息：int netlink_unicast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock)参数ssk为函数netlink_kernel_create()返回的socket，参数skb存放消息，它的data字段指向要发送的netlink消息结构，而skb的控制块保存了消息的地址信息，前面的宏NETLINK_CB(skb)就用于方便设置该控制块，参数pid为接收消息进程的pid，参数nonblock 表示该函数是否为非阻塞，如果为1，该函数将在没有接收缓存可利用时立即返回，而如果为0，该函数在没有接收缓存可利用定时睡眠。
操作系统中的用户态与内核态通信机制
操作系统中的用户态与内核态通信机制操作系统是计算机系统中的核心组件，负责管理计算机硬件资源以及提供各种服务和功能。
在操作系统中，存在着用户态和内核态的不同运行状态，用户态与内核态之间的通信机制是保证系统正常运行的关键之一。
本文将深入探讨操作系统中的用户态与内核态通信机制。
一、用户态与内核态概述在操作系统中，进程可以运行在用户态或者内核态。
用户态是指进程运行在一个受限环境中，只能访问受限的资源，例如用户自身的存储空间和部分设备。
而内核态是指进程处于操作系统的特权级别，可以访问系统的所有资源和功能。
用户态和内核态的切换是通过操作系统的内核来实现的。
二、用户态与内核态通信机制用户态与内核态之间的通信机制是操作系统中至关重要的一部分。
下面将介绍几种常见的用户态与内核态通信机制。
1. 系统调用系统调用是用户态程序访问内核态的主要方式。
通过系统调用，用户态程序可以请求内核提供特定的功能和服务。
用户态程序通过将系统调用的参数传递给指定的系统调用函数，并通过软中断或者异常的方式切换到内核态执行相应的内核函数。
执行完内核函数后，再切换回用户态继续执行用户态程序的指令。
2. 中断中断是计算机系统中一种重要的事件响应机制，操作系统通过处理中断来响应外部设备的请求和系统状态的变化。
中断可以触发用户态程序从用户态切换到内核态。
当发生中断请求时，CPU会中断当前正在执行的程序，然后跳转到内核态执行相应的中断处理程序。
中断处理程序完成后，再切换回用户态继续执行被中断的程序。
3. 异常异常与中断类似，都是由于某种事件的发生而导致CPU从当前任务转移到内核态的一种机制。
与中断不同的是，异常是由当前任务的执行引起的，可以看作是一种程序执行中的错误或者异常情况。
常见的异常包括除零错误、页错误、非法指令等。
当异常发生时，CPU会暂停当前的任务，跳转到内核态执行相应的异常处理程序。
异常处理程序完成后，再切换回用户态继续执行被中断的程序。
从用户态转换到核心态的途径
从用户态转换到核心态的途径从用户态转换到核心态，是指从用户态进程切换到核心态执行特权指令的过程。
在操作系统中，核心态是操作系统内核执行的特权级别，可以执行所有的指令和访问所有的资源，而用户态是普通应用程序执行的权限级别，受到操作系统的保护限制，不能直接访问底层硬件资源。
用户态和核心态的切换是操作系统中非常重要的机制，它可以保障操作系统的安全性和稳定性。
下面将介绍几种常见的从用户态转换到核心态的途径。
1. 系统调用（System Call）：系统调用是用户态进程通过软中断让操作系统内核执行特权指令的一种方式。
用户态进程通过调用特定的系统调用接口，将请求传递给操作系统内核，内核在核心态执行相应的操作，然后将结果返回给用户态进程。
系统调用是用户态进程访问操作系统内核的主要方式，例如文件操作、网络通信等。
2. 异常（Exception）：异常是由当前执行的指令引发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，访问非法内存地址、除零错误等。
当发生异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的异常处理程序。
异常处理程序可以根据具体的异常类型进行处理，例如修复错误、终止进程等。
3. 中断（Interrupt）：中断是由外部设备触发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，硬件设备完成数据传输、定时器中断等。
当发生中断时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的中断处理程序。
中断处理程序可以根据不同的中断类型进行相应的处理，例如读取数据、发送数据等。
4. 缺页异常（Page Fault Exception）：缺页异常是用户态进程访问虚拟内存中未加载到物理内存的页面时触发的异常。
当发生缺页异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并根据页面置换算法将相应的页面加载到物理内存中，然后将控制权返回给用户态进程继续执行。
5. 系统陷阱（System Trap）：系统陷阱是用户态进程通过软中断主动请求操作系统内核执行特权指令的一种方式。
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理操作系统是用来控制电脑硬件的软件，它管理和协调着所有的硬件和软件资源。
它的主要职责是把不同的任务分发给电脑的硬件设备，并促使这些设备正确地执行这些任务。
操作系统可以分为两种模式，即用户态和内核态。
所谓用户态就是以用户的身份运行操作系统的模式，它是操作系统在正常使用状态下的默认模式。
在用户态下，操作系统有效地隔离保护了用户程序同硬件设备的直接交互，只有通过特殊的用户程序调用，操作系统才可以处理硬件设备。
而内核态则是操作系统在特殊的情况下，以拥有最高权限的操作系统内核的角色运行的模式。
在内核态下，操作系统将有效地拥有直接的访问硬件的权利，能够更加直接高效地进行硬件操作，而不必去依赖于用户调用，从而实现比用户态下执行效率更高的任务执行。
对于操作系统而言，用户态到内核态的转换依赖于一些外部或者内部事件，比如硬件中断、程序指令错误、系统调用等，当出现这类情况时，就会发生用户态到内核态的转换。
当操作系统收到上述外部或内部事件时，它会调用一个内部函数，即中断处理程序（Interrupt handler），用于对事件的处理。
中断处理程序在调用之前，操作系统会从用户态到内核态进行转换，这就是用户态到内核态转换的原理。
在实现上，用户态到内核态的转换是通过操作系统的特权级来实现的。
特权级是操作系统中访问与控制硬件设备的权限层次，主要有0级到3级共4级，每一级的特权级越高，对应的权限就越大。
用户态的特权级为0级，而内核态的特权级则为3级，当程序需要从用户态到内核态的时候，就会自动地从0级到3级的转换，这就是实现从用户态到内核态转换的原理。
总结而言，用户态到内核态转换主要是在外部或内部事件发生时，操作系统调用中断处理程序，通过特权级的改变，从用户态到内核态进行转换，以达到对硬件直接访问的目的。
此外，操作系统在进行用户态到内核态的转换时，还会进行一些其他的处理，比如内存的分配，时间的设置等，以实现它们的最佳效率。
linux 驱动 内核态与用户态的方法
linux 驱动内核态与用户态的方法Linux 作为一个开源的操作系统，其内核和驱动程序的开发一直是开发者关注的焦点。
在 Linux 系统中，内核态和用户态是两个不同的运行环境，分别对应了操作系统内核和用户程序。
在驱动程序的开发中，涉及到内核态和用户态的交互，需要开发者了解内核态与用户态的方法。
首先，内核态和用户态是操作系统中的两种运行级别。
内核态是操作系统的最高特权级别，可以直接操作硬件资源和访问系统内存，而用户态则是应用程序运行的环境，受到操作系统的限制，不能直接访问硬件资源。
驱动程序一般运行在内核态，用于控制硬件设备和提供接口给用户程序调用。
在 Linux 系统中，内核态和用户态的切换是通过系统调用实现的。
系统调用是用户程序调用操作系统功能的一种方式，通过软中断将用户程序从用户态切换到内核态，让内核执行相应的操作。
在驱动程序的开发中，需要通过系统调用来实现内核态和用户态的交互。
在编写驱动程序时，需要使用一些特定的函数和数据结构来实现内核态与用户态的通信。
其中，包含了一些必要的函数接口和机制，如 file_operations 结构体、ioctl 函数、copy_to_user 和 copy_from_user 函数等。
这些函数和数据结构可以帮助开发者在内核态和用户态之间传递数据，并实现对硬件设备的控制和操作。
此外，在驱动程序的开发过程中，需要注意内核态与用户态的安全性和稳定性。
内核态具有最高特权级别，可以直接操作系统资源，因此在编写驱动程序时需要谨慎处理数据的传递和操作，避免造成系统崩溃或安全漏洞。
同时，需要考虑到用户态程序的异常情况和错误处理，确保系统的稳定性和可靠性。
总的来说，内核态与用户态的方法在 Linux 驱动程序的开发中起着重要的作用。
开发者需要了解内核态与用户态的区别和特点，利用系统调用和相关函数接口实现内核态与用户态的通信，确保驱动程序的安全性和稳定性。
只有深入理解内核态与用户态的方法，才能更好地开发出高效、稳定的 Linux 驱动程序。
linux下内核与用户态间的交互机制
linux下内核与用户态间的交互机制（原创版）目录1.引言：介绍 Linux 内核与用户态的概念及其关系2.Linux 内核与用户态交互的方式2.1 系统调用2.2 信号2.3 消息队列2.4 套接字3.实例：fork() 系统调用4.特权级5.结论：总结 Linux 下内核与用户态间的交互机制的重要性正文1.引言Linux 是一个开源的操作系统，其最大的特点就是内核与用户态的交互机制。
在 Linux 系统中，内核负责管理系统的资源和运行状态，而用户态则负责运行应用程序。
内核与用户态之间的交互机制是 Linux 系统运行的核心，也是操作系统管理的关键。
2.Linux 内核与用户态交互的方式在 Linux 系统中，内核与用户态之间的交互主要通过以下几种方式实现：2.1 系统调用系统调用是操作系统提供给用户程序的一组应用编程接口 (API)，用户程序可以通过系统调用请求操作系统内核提供的服务，如文件操作、进程管理等。
系统调用是内核与用户态之间最重要的交互方式之一。
2.2 信号信号是操作系统内核与用户程序之间进行异步通信的一种机制。
当发生某个特定事件时，如程序异常、硬件故障等，操作系统内核可以向用户程序发送信号，告知用户程序需要采取相应的措施。
2.3 消息队列消息队列是 Linux 系统中一种先进的通信机制，可以实现内核与用户态之间的双向通信。
消息队列是一种特殊的数据结构，用于存储消息，消息可以是内核与用户程序之间的通信信息，也可以是用户程序之间的通信信息。
2.4 套接字套接字是 Linux 系统中一种通用的通信接口，可以实现不同进程之间的通信，也可以实现内核与用户态之间的通信。
套接字提供了一种灵活的通信机制，可以满足不同场景下的通信需求。
3.实例：fork() 系统调用fork() 是 Linux 系统中一个典型的系统调用，用于创建一个新的进程。
当用户程序调用 fork() 时，操作系统内核会创建一个新的进程，并将新的进程的资源映射到原始进程的资源上。
用户态和内核态的转换
用户态和内核态的转换1）用户态切换到内核态的3种方式a. 系统调用这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。
而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。
系统调用实质上是一个中断，而汇编指令int 就可以实现用户态向内核态切换，iret实现内核态向用户态切换b. 异常当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。
c. 外围设备的中断当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。
比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。
2）具体的切换操作从触发方式上看，可以认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断的处理机制基本上也是一致的，关于它们的具体区别这里不再赘述。
关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析，涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：[1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。
[2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。
Linux下用户态和内核态内存共享的实现
（ ｐ ｒ ｅ ｔ ｆ ｏ ｕｅ ｐｉｄＴ ｃｎ ｌｇ Ｊ ｎ ｓ ｏ ｄＳｉｎｅＣ ｌ ｇ Ｈｕｉ ｌ ２ ３ ０ ） Ｄｅａｔ ｎ ｍｐ ｔ Ａｐ ｌ ｅｈ ｏｏ ｙ， ｉ ｇｕＦ ｏ ｃｅｃ ｏｌ ｅ， ａ ａ ２ ０ ３ ｍ ｏＣ ｒ ｅ ａ ｅ ｌ
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｒ ｄ ｍｅ ｒ ｓ ｔｅ ｍｏ ｔｓｍｐ ｅ ｏ ｈ ｒ ｃ ｓ ｏ ｓｒ ｃ ：Ｓ ａ ｅ ｍｏ ｙ ｉ ｈ ｓ ｉ ｌ ｆ ｔｅ Ｐ ｏ ｅ ｓ ｃ ｍｍｕ ｉ ａｉ ｎ Ｓ ａ ｅ ｍｏ ｌ ｗｅ ｗｏ ｏ ｒ ｒ ｃ ｓ ｎ ｃ ｔ ． ｈ ｒ ｄ ｍｅ ｒ ａ ｌ ｄ ｔ ｒｍｏ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｙ ｏ
ｓ ｍｅ ｐ ｙ ｉｓ ｍｅ ｒ ｒ ａ Ｂ ｃ ｕ ｅ ａｌ ｏ ｈ ｒ ｃ ｓ ｈ ｒ ｄ ｔ ｅ ｓ ｍｅ ｍｅ ｒ ，ｈ ｒ ｄ ｍｅ ｒ ｓ ｔ ｅ ｔ ｐ ｅ ｃｅ ｃ ｆ ａｌ ａ ｈ ｓｃ ｍｏｙ ａ ｅ ． ｅ ａ ｓ ｌ ｆｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ａ ｅ ａ ｍｏ ｙ ｓ ａ ｅ ｍｏｙ ｉ ｈ ｏ ｆ ｉｎ ｙ ｏ ｈ ｉ ｌ
ｖ ｉｔｅｓｍ ｉ ｅｏ ｍｅ ｏ ． ｓ ｉｅａ ｎ ｔ ｎｍａ ｏ０Ｉｔｗ ｒｓ ｏｔｅｄｆ ｒｎ ｒｃ ｓ ｒ ｕｎａｐｉｔｒ ｆ ｏｎ ｔ ｅ ｉｔｈ ａ ｅｐｅ ｆ ｍ ｒ ａ ｋ ｓ ｕ ｃ ｏ ｌ ｃ ， ａｄ ｉｅｅｔ ｏｅｓ ｅ ｒ ｏ ｅ ｉｔｏｔ ｓ ｃ ｙ ｌ ｆ ｉ ｌ ｔｏ ｔ ｈ ｐ ｔ ｎ ｏｐ ｈ
Ｌｎ ｘ ｉｕ 使用 了 Ｒｎ ３级别 运行 用户态 ，ＲｎＯ作 为内核态 。 ｉｇ ｉ ｇ Ｒｎ ３状 态 不 能访 问 Ｒｎ Ｏ的地 址 空 间 ，包 括 代 码 和数 据 。 ｉ ｇ ｉｇ
Ｌｎ ｘ 程 的 ４ Ｂ地 址 空 间 ，３ Ｂ ４ Ｂ部 分 是 共 享 的 ，是 内 ｉｕ 进 Ｇ Ｇ 一Ｇ
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理操作系统是计算机中一种不可或缺的软件，负责管理和控制计算机硬件和软件的使用，它有着复杂的结构，其中操作系统内核是其最核心的部分，是整个操作系统的灵魂。
不同的操作系统采用的内核结构也有所不同，但它们的基本原理是一致的。
本文将介绍一般操作系统内核的功能及其中用户态和内核态之间的转化原理，此话题对深入理解操作系统内核运行状态转换有重要的意义。
一般来说，操作系统内核有三大功能：硬件管理、进程管理和文件管理。
它负责管理系统中所有硬件设备，比如存储器、显卡、磁盘等，并确保系统硬件能够安全地工作；它负责管理当前系统中的进程，并对它们进行分配资源；它负责管理文件，并实现用户对文件的读写操作。
上面提到的三大功能是内核的重要功能，但是它们必须在两种不同的状态之间进行转换。
这二种状态分别是用户态和内核态，前者专指计算机正在处理用户程序，此时操作系统运行在用户态；而后者指的是系统正在处理内核代码，此时系统运行在内核态。
那么，用户态与内核态之间是如何进行切换的呢？在操作系统内核的运行过程中，会不断的进行用户态和内核态的转化，从而实现系统的功能。
用户态到内核态的切换一般是由操作系统调度和实施，一般分为系统调用和中断两种情况。
系统调用是由用户程序发出的，当用户程序要向操作系统请求某种服务时，就会发起系统调用，操作系统会根据用户的请求响应，并切换到内核态。
中断可以分为软中断和硬中断两类。
软中断是由操作系统发出的，比如定时器超时、管道读写等，操作系统会对其作出响应，实施中断，并切换到内核态。
硬中断是指硬件发出的中断，比如磁盘IO操作完成，或者输入设备上有用户输入，此时硬件会发出中断，并调用相应的中断处理函数，从而进行切换到内核态。
从上面可以看出，操作系统内核的用户态到内核态的转换是一个不断的过程，这个过程的实施由系统调度程序控制，一般采用中断机制实施。
其实，操作系统内核中用户态与内核态之间的切换实际上也是按照特定的步骤进行的。
Netlink编程-用户主动发起会话
Netlink编程-用户主动发起会话Netlink是一种在内核态和用户态可以进行双向通信的机制，也就是说，用户进程既可以作为服务器端又可以作为客户端，内核也是如此。
用户进程和内核谁是服务器端谁是客户端，这个问题与谁先主动发起数据交互会话有关。
用户进程主动向内核发起会话在Linux内核中很常见，比如系统调用、对/proc的操作等。
本文通过详解一个简单的实例程序来说明用户进程通过netlink机制如何主动向内核发起会话。
在该程序中，用户进程向内核发送一段字符串，内核接收到后再将该字符串后再重新发给用户进程。
用户态程序netlink是一种特殊的套接字，在用户态除了一些参数的传递对其使用的方法与一般套接字无较大差异，。
1.宏与数据结构的定义在使用netlink进行用户进程和内核的数据交互时，最重要的是定义好通信协议。
协议一词直白的说就是用户进程和内核应该以什么样的形式发送数据，以什么样的形式接收数据。
而这个“形式”通常对应程序中的一个特定数据结构。
本文所演示的程序并没有使用netlink已有的通信协议，因此我们自定义一种协议类型NETLINK_TEST。
1 #define NETLINK_TEST 182 #define MAX_PAYLOAD 102434 struct req {5 struct nlmsghdr nlh;6 char buf[MAX_PAYLOAD];7 };除此之外，我们应该再自定义一个数据报类型req，该结构包含了netlink数据包头结构的变量nlh和一个MAX_PAYLOAD大小的缓冲区。
这里我们为了演示简单，并没有像上文中描述的那样将一个特定数据结构与nlmsghdr 封装起来。
2.创建netlink 套接字要使用netlink ，必须先创建一个netlink 套接字。
创建方法同样采用socket()，只是这里需要注意传递的参数：1int sock_fd; 2 sock_fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST); 3if (sock_fd < 0) { 4 eprint(errno, "socket", __LINE__);5return errno; 6 } 第一个参数必须指定为PF_NETLINK 或AF_NETLINK 。
Netlink内核实现分析1
Netlink内核实现分析1Netlink 是⼀种IPC（Inter Process Commumicate）机制，它是⼀种⽤于内核与⽤户空间通信的机制，在⼀般情况下，⽤户态和内核态通信会使⽤传统的Ioctl、sysfs属性⽂件或者procfs属性⽂件，这3种通信⽅式都是同步通信⽅式，由⽤户态主动发起向内核态的通信，内核⽆法主动发起通信。
Netlink是⼀种异步全双⼯的通信⽅式，它⽀持由内核态主动发起通信，内核为Netlink通信提供了⼀组特殊的API接⼝，⽤户态则基于socket API，内核发送的数据会保存在接收进程socket 的接收缓存中，由接收进程处理。
netlink 优点：可以由内核发起，⽤户进程可以使⽤IO复⽤模型⽀持组播，即内核态可以将消息发送给多个接收进程Netlink ⼦系统初始化流程netlink 内核⼦接⼝初始化实在 net/netlink/af_netlink.c中初始化完成static const struct rhashtable_params netlink_rhashtable_params = {.head_offset = offsetof(struct netlink_sock, node),.key_len = netlink_compare_arg_len,.obj_hashfn = netlink_hash,.obj_cmpfn = netlink_compare,.automatic_shrinking = true,};/*这⾥的hash（哈希表）⽤来索引同种协议类型的不同netlink套接字实例，mc_list为多播使⽤的sock散列表，listeners为监听者掩码，groups为协议⽀持的最⼤多播组数量，同时还定义了⼀些函数指针，它们会在内核⾸次创建netlink时被赋值，后续应⽤层创建和绑定socket时调⽤到。
回到初始化函数中，接下来初始化应⽤层使⽤的NETLINK_USERSOCK协议类型的netlink（⽤于应⽤层进程间通信）；然后调⽤sock_register向内核注册协议处理函数，即将netlink的socket创建处理函数注册到内核中，如此以后应⽤层创建netlink类型的socket时将会调⽤该协议处理函数，其中*/static int __init netlink_proto_init(void){int i;int err = proto_register(&netlink_proto, 0);if (err != 0)goto out;BUILD_BUG_ON(sizeof(struct netlink_skb_parms) > FIELD_SIZEOF(struct sk_buff, cb));//之开辟了MAX_LINKS个na_talbe指针空间nl_table = kcalloc(MAX_LINKS, sizeof(*nl_table), GFP_KERNEL);if (!nl_table)goto panic;//分配MAX_LINKS个netlink表结构, nl_table, 每个成员代表⼀种协议类型for (i = 0; i < MAX_LINKS; i++) {if (rhashtable_init(&nl_table[i].hash,&netlink_rhashtable_params) < 0) {rhashtable_destroy(&nl_table[i].hash);kfree(nl_table);goto panic;}}INIT_LIST_HEAD(&netlink_tap_all);netlink_add_usersock_entry();sock_register(&netlink_family_ops);//将netlink socket 创建函数注册到内核中，即创建netlink socket 时回调函数为 netlink_family_ops->create 回调register_pernet_subsys(&netlink_net_ops);/* The netlink device handler may be needed early. */rtnetlink_init();out:return err;panic:panic("netlink_init: Cannot allocate nl_table\n");}core_initcall(netlink_proto_init本初始化函数⾸先向内核注册netlink协议；然后创建并初始化了nl_table表数组，这个表是整个netlink实现的最关键的⼀步，每种协议类型占数组中的⼀项，后续内核中创建的不同种协议类型的netlink都将保存在这个表中.struct netlink_table {struct rhashtable hash;// hash表控制块，内部的hash表记录了已经创建的同种协议类型的所有netlink套接字struct hlist_head mc_list; // 这个hash表头节点⽤于记录同种协议类型下所有阅订了组播功能的套接字struct listeners __rcu *listeners; // 记录了同种协议类型下所有被阅订了的组播消息集合为监听者掩码unsigned int flags;unsigned int groups;// 记录了该协议类型⽀持的最⼤组播数量(通常就是32个)struct mutex *cb_mutex;struct module *module;//函数指针会在内核⾸次创建netlink时被赋值，后续应⽤层创建和绑定socket时调⽤到int (*bind)(struct net *net, int group);void (*unbind)(struct net *net, int group);bool (*compare)(struct net *net, struct sock *sock);int registered;};/*应⽤层创建PF_NETLINK(AF_NETLINK)类型的socket()系统调⽤时将由netlink_create()函数负责处理*/static const struct net_proto_family netlink_family_ops = {.family = PF_NETLINK,.create = netlink_create,.owner = THIS_MODULE, /* for consistency 8) */};Netlink 套接字对于每个类型都会创建⼀个内核的netlink 套接字⽤于和应⽤层通信；以NETLINK_ROUTE为例static int __net_init rtnetlink_net_init(struct net *net){struct sock *sk;struct netlink_kernel_cfg cfg = {.groups = RTNLGRP_MAX,.input = rtnetlink_rcv,.cb_mutex = &rtnl_mutex,.flags = NL_CFG_F_NONROOT_RECV,};sk = netlink_kernel_create(net, NETLINK_ROUTE, &cfg);if (!sk)return -ENOMEM;net->rtnl = sk;return 0;}/*定义了⼀个netlink_kernel_cfg结构体实例，设置groups为RTNLGRP_MAX后指定消息接收处理函数为rtnetlink_rcv，并设置flag为NL_CFG_F_NONROOT_RECV，这表明⾮超级⽤户可以绑定到多播组，但是没有设置NL_CFG_F_NONROOT_SEND，这表明⾮超级⽤户将不能发送组播消息。
试述系统调用的实现原理,并写出系统调用的处理逻辑。
试述系统调用的实现原理,并写出系统调用的处理逻辑。
系统调用是操作系统提供给应用程序的一种机制，用于让应用程序可以访问操作系统的功能和资源。
它的实现原理包括用户态与内核态之间的切换和调用处理程序的执行。
系统调用的处理逻辑如下：
1. 应用程序通过编程接口（API）发起系统调用请求，例如通过C语言的库函数或者汇编指令。
2. 应用程序触发一条特权指令，例如软中断（int 0x80），来通知操作系统进入内核态执行系统调用。
3. 当特权指令执行时，CPU会完成一个从用户态到内核态的切换，切换至操作系统的内核态。
4. 操作系统的中断处理程序（IRQ Handler）会根据中断号（内部指定的系统调用号）来分发处理。
5. 中断处理程序将系统调用参数从用户空间拷贝到内核空间，通常使用栈或寄存器来传递参数。
6. 中断处理程序根据系统调用号调用相应的系统调用处理函数进行处理。
7. 系统调用处理函数执行相应的操作，并将结果存储在返回值中。
8. 结果从内核空间复制到用户空间，以便应用程序获取结果。
9. 处理完系统调用后，操作系统返回到用户态，并将控制权交还给应用程序。
需要注意的是，由于会涉及用户态到内核态的切换，系统调用通常会比普通的用户态操作要慢。
因此，应用程序在设计时应尽量减少系统调用的次数，以提高性能。
Generic Netlink详解
∙双向传输，异步通信∙用户空间中使用标准socket API∙内核空间中使用专门的API∙支持多播∙可由内核端发起通信∙支持32种协议类型netlink仅支持32种协议类型，这在实际应用中可能并不足够。
因此产生了generic netlink（以下简称为genl）。
generic netlink支持1023个子协议号，弥补了netlink协议类型较少的缺陷。
支持协议号自动分配。
它基于netlink，但是在内核中，generic netlink的接口与netlink并不相同。
1. Generic Netlink框架概述图1表示了Generic Netlink框架。
Kernel socket API向用户空间和内核空间分别提供接口。
Netlink子系统(1)是所有genl通信的基础。
Netlink子系统中收到的所有Generic类型的netlink数据都被送到genl总线(2)上；从内核发出的数据也经由genl总线送至netlink子系统，再打包送至用户空间。
Generic Netlink控制器(4)作为内核的一部分，负责动态地分配genl通道(即genl family id)，并管理genl任务。
genl控制器是一个特殊的genl内核用户，它负责监听genl bus上的通信通道。
genl通信建立在一系列的通信通道的基础上，每个genl family对应多个通道，这些通道由genl控制器动态分配。
+---------------------+ +---------------------+| (3) application "A" | | (3) application "B" |+------+--------------+ +--------------+------+| |\ /\ /| |+-------+--------------------------------+-------+| : : |user-space=====+ : (5) Kernel socket API :+================| : : |kernel-space+--------+-------------------------------+-------+| |+-----+-------------------------------+----+| (1) Netlink subsystem |+---------------------+--------------------+|+---------------------+--------------------+| (2) Generic Netlink bus |+--+--------------------------+-------+----+| | |+-------+---------+ | || (4) Controller | / \+-----------------+ / \| |+------------------+--++--+------------------+| (3) kernel user "X" | | (3) kernel user "Y" | +---------------------++---------------------+图1：generic netlink框架2 Generic Netlink相关结构体2.1 genl familyGeneric Netlink是基于客户端-服务端模型的通信机制。
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Proc fs
/proc目录是系统模拟出来的一个文件系统，本身并不存在于磁盘上，其中的文件都表示内核
参数的信息
/proc 在linux系统中非常多地应用. 很多现代 Linux 发布中的工具, 例如 ps, top, 以及 uptime, 从 /proc 中获取它们的信息. 一些设备驱动也通过 /proc 输出信息.
Netlink
Netlink相对于其他的通信机制具有以下优点：
1.使用Netlink通过自定义一种新的协议并加入协议族即可通过socket API使用
Netlink协议完成数据交换，而ioctl和proc文件系统均需要通过程序加入相应的设
备或文件。
link使用socket缓存队列，是一种异步通信机制，而ioctl是同步通信机制，如
果传输的数据量较大，会影响系统性能。
link支持多播，属于一个Netlink组的模块和进程都能获得该多播消息。
link允许内核发起会话，而ioctl和系统调用只能由用户空间进程发起。
Syscall
syscall的范围就广了，通过注册字符设备可以使用mmap和ioctl等来进行操作，要注意
的是在内核态ioctl已经被废弃，现在应该使用unlocked_ioctl，需要自己来加锁。
用户态通过系统暴露出来的系统调用来进行操作，如mmap，ioctl，open，close，read，write，内核态通过建立共享内存remap_pfn_range或者copy_to_user, copy_from_user
来进行操作。
IOCTL
内核和用户空间进行通信，大概有如下几种方式可以考虑：
采用内存映射的方式，将内核地址映射到用户态。
这种方式最直接，可以适用大量的
数据传输机制。
这种方式的缺点是很难进行“业务控制”，没有一种可靠的机制保障
内核和用户态的调动同步，比如信号量等都不能跨内核、用户层使用。
因此内存映射
机制一般需要配合一种“消息机制”来控制数据的读取，比如采用“消息”类型的短
数据通道来完成一个可靠的数据读取功能。
ioctl机制，ioctl机制可以在驱动中扩展特定的ioctl消息，用于将一些状态从内核反应到用户态。
Ioctl有很好的数据同步保护机制，不要担心内核和用户层的数据访问冲突，但是ioctl不适合传输大量的数据，通过和内存映射结合可以很好的完成大量数据交换
过程。
但是，ioctl的发起方一定是在用户态，因此如果需要内核态主动发起一个通知
消息给用户层，则非常的麻烦。
可能需要用户态程序采用轮询机制不停的ioctl。
其他一些方式比如系统调用必须通过用户态发起，proc方式不太可靠和实时，用于调
试信息的输出还是非常合适的。
通过前面的项目背景，我需要一种可以在内核态主动发起消息的通知方式，而用户态
的程序最好可以采用一种“阻塞调用”的方式等待消息。
这样的模型可以最大限度的
节省CPU的调度，同时可以满足及时处理的要求，最终选择了netlink完成通信的过程。