内核模块与用户空间交互方式

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1. 概览

内核模块与用户空间程序的交互，本质是通过 Linux 提供的统一抽象接口完成的，核心目标包括：

1. 用户向内核传递控制与配置
2. 内核向用户暴露状态与事件
3. 内核与用户进行高性能数据交换

Linux 提供了多种交互机制，每种机制适用于不同场景。

交互方式	类型	主要用途
procfs	文件系统抽象	调试 / 状态展示
sysfs	文件系统抽象	设备属性 / 参数配置
字符设备	设备抽象	流式数据
ioctl	设备抽象	控制指令
netlink	Socket 抽象	系统级通信
mmap	内存抽象	零拷贝共享
eBPF map	现代内核机制	现代安全交互

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2. procfs 方式

2.1 原理说明

procfs 是内核暴露内部状态的一种虚拟文件系统：

• 不存在真实磁盘文件
• read/write 触发内核回调函数
• 主要用于状态展示与调试

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2.2 数据流模型

用户态 read/write → VFS → proc_ops → 内核函数

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2.3 Demo

2.3.1 内核模块代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define PROC_NAME "my_proc"

static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf,
                       size_t count, loff_t *ppos)
{
    return simple_read_from_buffer(buf, count, ppos,
                                   "hello from kernel\n", 18);
}

static const struct proc_ops ops = {
    .proc_read = my_read,
};

static int __init my_init(void)
{
    proc_create(PROC_NAME, 0444, NULL, &ops);
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    remove_proc_entry(PROC_NAME, NULL);
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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2.3.2 用户空间访问

cat /proc/my_proc

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2.4 适用场景

• 调试接口
• 临时状态输出
• 教学与实验

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3. sysfs 方式

3.1 原理说明

sysfs 以 kobject 为核心，每个文件代表一个内核对象属性。

适合场景：

• 配置参数
• 开关控制

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3.2 数据模型

kobject → attribute → sysfs file

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3.3 Demo

3.3.1 内核模块代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/sysfs.h>

static int my_value;

static ssize_t value_show(struct kobject *kobj,
                          struct kobj_attribute *attr, char *buf)
{
    return sprintf(buf, "%d\n", my_value);
}

static ssize_t value_store(struct kobject *kobj,
                           struct kobj_attribute *attr,
                           const char *buf, size_t count)
{
    kstrtoint(buf, 10, &my_value);
    return count;
}

static struct kobj_attribute value_attr =
    __ATTR(value, 0664, value_show, value_store);

static struct kobject *my_kobj;

static int __init my_init(void)
{
    my_kobj = kobject_create_and_add("my_sysfs", kernel_kobj);
    sysfs_create_file(my_kobj, &value_attr.attr);
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    kobject_put(my_kobj);
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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3.3.2 用户空间访问

echo 42 > /sys/kernel/my_sysfs/value
cat /sys/kernel/my_sysfs/value

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3.3 适用场景

• 模块参数
• 设备配置
• 功能开关

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4. 字符设备 read/write

4.1 原理说明

通过 VFS 抽象设备为文件（ /dev/xxx 暴露设备文件，支持流式读写）：

• open/read/write
• file_operations 回调

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4.2 Demo

4.2.1 内核模块代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>

#define DEV_NAME "mydev"
static int major;

static ssize_t my_read(struct file *f, char __user *buf,
                       size_t len, loff_t *off)
{
    return simple_read_from_buffer(buf, len, off,
                                   "hello dev\n", 10);
}

static struct file_operations fops = {
    .read = my_read,
};

static int __init my_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, DEV_NAME, &fops);
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, DEV_NAME);
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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4.2.2 用户空间访问

mknod /dev/mydev c <major> 0
cat /dev/mydev

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5. ioctl 控制接口

5.1 原理说明

ioctl 用于设备控制命令扩展。

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5.2 Demo

5.2.1 公共头文件

#define MY_IOCTL_SET _IOW('k', 1, int)

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5.2.2 内核模块核心代码

static long my_ioctl(struct file *f,
                     unsigned int cmd,
                     unsigned long arg)
{
    int val;
    switch (cmd) {
    case MY_IOCTL_SET:
        copy_from_user(&val, (int __user *)arg, sizeof(val));
        printk("val=%d\n", val);
        break;
    }
    return 0;
}

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5.2.3 用户空间调用

int val = 100;
ioctl(fd, MY_IOCTL_SET, &val);

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6. Netlink Socket

6.1 原理说明

Netlink 是内核与用户空间的消息总线，支持异步通信和多播。

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6.2 Demo

6.2.1 内核模块

#include <net/sock.h>
#include <linux/netlink.h>

#define NETLINK_TEST 31
static struct sock *nl_sk;

static int __init my_init(void)
{
    nl_sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, NULL);
    return 0;
}

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6.2.2 用户空间

socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);

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7. mmap 共享内存

7.1 原理说明

用户态映射内核内存页：

• 零拷贝
• 高性能
• 共享地址空间

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7.2 Demo

7.2.1 内核模块核心逻辑

static int my_mmap(struct file *f, struct vm_area_struct *vma)
{
    return remap_pfn_range(vma,
        vma->vm_start,
        virt_to_phys(buffer) >> PAGE_SHIFT,
        PAGE_SIZE,
        vma->vm_page_prot);
}

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7.2.2 用户空间

char *p = mmap(NULL, PAGE_SIZE,
               PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);

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8. eBPF 方式

8.1 原理说明

eBPF 允许在不加载内核模块的情况下安全扩展内核行为。

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8.2 Demo

8.2.1 BPF Map 定义

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_ARRAY);
    __uint(max_entries, 1);
    __type(key, int);
    __type(value, int);
} my_map SEC(".maps");

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8.2.2 用户空间访问

bpf_map_lookup_elem(fd, &key, &value);

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9. 选型建议

需求类型	推荐方式
参数配置	sysfs
设备控制	ioctl
状态输出	procfs
异步事件	netlink
大数据	mmap
安全扩展	eBPF

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10. 总结

内核与用户空间通信机制的演进路径为：

procfs → sysfs/ioctl → netlink → mmap → eBPF

体现了三个趋势：

1. 接口结构化
2. 通信事件化
3. 数据零拷贝化

最终目标是：

高性能、安全性、可维护性、系统级可观测性