系统调用
用户空间和内核空间之间的通信实现
● 与系统调用相关的数据结构和函数
系统调用函数名以“sys_”开头，后面是该系统调用的名字，由此构成了221个形似sys_name()的函数名。
include/asm-i386/unistd.h中为每一个系统调用规定了惟一的编号，假设用name来表示系统调用的名称，那么系统调用号与系统调用响应函数的关系是：以系统调用号__NR_name作为下标，可找出系统调用表sys_call_table中对应表项的内容，它也就是该系统调用的响应函数sys_name的入口地址。
● 系统调用具体执行流程
当执行一个系统调用时，处理器跳转到地址 0xc00
参考代码 arch/ppc/kernel/head.S
/* System call */
. = 0xc00
SystemCall:
EXCEPTION_PROLOG
/* EXCEPTION_PROLOG 是一个宏，负责从用户空间到内核空间的切换，并需要保存用户进程的寄存器状态*/
stw r3,ORIG_GPR3(r21)
li r20,MSR_KERNEL
rlwimi r20,r23,0,16,16 /* copy EE bit from saved MSR */
bl transfer_to_handler
.long DoSyscall
.long ret_from_except
有关DoSyscall，它在文件arch/ppc/kernel/entry.S 中定义。这个函数最终使用系统调用编号将系统调用表的地址和索引加载，操作系统使用系统调用表将系统调用编号翻译为特定的系统调用。
系统调用表名为 sys_call_table，在 arch/ppc/kernel/misc.S 中定义。系统调用表包含有实现每个系统调用的函数的地址。
………………………
_GLOBAL(sys_call_table)
.long sys_ni_syscall /* 0 old "setup()" system call */
………………………
long sys_getegid /* 50 */
.long sys_acct
.long sys_umount /* recycled never used phys() */
.long sys_ni_syscall /* old lock syscall holder */
.long sys_ioctl /* 54 */
.long sys_fcntl /* 55 */
………………………
当DoSyscall 找到正确的系统调用地址后，它将调用指定的系统调用函数。如要做系统ioctl调用，对应的系统调用号为54，它将调用函数sys_ioctl()。下面具体会说明sys_ioctl()的调用过程。
当函数调用完毕之后，返回到 DoSyscall()，它将控制权切换给 ret_from_except（在 arch/ppc/kernel/entry.S 中定义）。它会去检查那些在切换回用户空间之前需要完成的任务。如果没有需要做的事情，那么就通过 restore 函数恢复用户进程的状态，并将控制权交还给用户程序。
● ioctl系统调用的整个流程
sys_ioctl()是整个ioctl系统调用过程中的最顶级函数，它需要对输入的参数进行预处理，检查参数的合法性，然后调用底层的处理函数作更进一步的处理。
分析函数sys_ioctl()，参考代码fs/ioctl.c
asmlinkage long sys_ioctl(unsigned int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
struct file * filp;
unsigned int flag;
int on, error = -EBADF;
filp = fget(fd);
/*通过传入的参数文件句柄fd来获得需要操作的文件(或者设备)的指针，后面做了具体的说明*/
if (!filp)
goto out;
error = 0;
TRACE_FILE_SYSTEM(TRACE_EV_FILE_SYSTEM_IOCTL,
fd,
cmd,
NULL);
lock_kernel();
switch (cmd) { /*不同的传入命令字参数cmd的处理*/
case FIOCLEX:
set_close_on_exec(fd, 1);
break;
case FIONCLEX:
set_close_on_exec(fd, 0);
break;
case FIONBIO:
if ((error = get_user(on, (int *)arg)) != 0)
break;
flag = O_NONBLOCK;
#ifdef __sparc__
/* SunOS compatibility item. */
if(O_NONBLOCK != O_NDELAY)
flag |= O_NDELAY;
#endif
if (on)
filp->f_flags |= flag;
else
filp->f_flags &= ~flag;
break;
case FIOASYNC:
if ((error = get_user(on, (int *)arg)) != 0)
break;
flag = on ? FASYNC : 0;
/* Did FASYNC state change ? */
if ((flag ^ filp->f_flags) & FASYNC) {
if (filp->f_op && filp->f_op->fasync)
error = filp->f_op->fasync(fd, filp, on);
else error = -ENOTTY;
}
if (error != 0)
break;
if (on)
filp->f_flags |= FASYNC;
else
filp->f_flags &= ~FASYNC;
break;
default:
/*如果传入的命令字参数cmd不符合上述情况，则需要调用更底层的ioctl处理函数
error = -ENOTTY;
/*下面根据情况调用ioctl处理函数*/
if (S_ISREG(filp->f_dentry->d_inode->i_mode))
error = file_ioctl(filp, cmd, arg); /*执行关于文件的ioctl的一般操作*/
else if (filp->f_op && filp->f_op->ioctl)
/*如果filp本身是一个设备，则执行filp->f_op->ioctl()函数，对设备进行ioctl函数操作，该指针在初始化时就已经指向了设备函数接口中的ioctl函数，因此在设备初始化时，只要向内核提交了file_operations{}结构或block_device_operations{},其中的ioctl函数就会被调用到*/
error = filp->f_op->ioctl(filp->f_dentry->d_inode, filp, cmd, arg);
}
unlock_kernel();
fput(filp);
out:
return error;
}
其中调用到函数的说明：
★ fget()函数，它是用来获取操作文件的指针，在这篇文档里，我是使用socket创建了一个文件描述符，fd = socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM, 0);
用户态的创建socket()到内核中传给函数sys_socket()处理, sys_socket()函数先调用函数sock_create()创建socket，然后把socket操作和文件操作关联起来，具体调用函数sock_map_fd()来实现，成功后将文件描述和文件结构file都保存在sock->file中。
对于函数fget()函数，它首先调用fcheck函数，检查一下文件描述符fd是否对应一个打开的文件，如果是就获取该文件，调用函数get_file()将f_count加1。
具体看一下fcheck函数的执行，参考代码include/linux/file.h
static inline struct file * fcheck(unsigned int fd)
{
struct file * file = NULL;
struct files_struct *files = current->files;
if (fd < files->max_fds) /*max_fds是最多打开的文件数*/
file = files->fd[fd]; /*其中files_struct结构中定义的file是进程文件描述符表*/
return file;
}
★ filp->f_op->ioctl()函数，调用设备对应的ioctl函数，对于使用socket创建文件描述符，它应该调用sock_ioctl()函数，具体流程图如下：
每一个设备都可以定义自己的ioctl命令字，命令编号的范围是SIOCDEVPRIVATE到SIOCDEVPRIVATE + 15。针对ipv6隧道，它定一个四个命令字，分别是SIOCGETTUNNEL，SIOCADDTUNNEL，SIOCCHGTUNNEL，SIOCDELTUNNEL。用户空间通过ioctl系统调用，最终调用到内核中定义的函数ip6ip6_tnl_ioctl。
sock_ioctl()函数调用中有关的内核函数：
sock_ioctl
inet6_ioctl
dev_ioctl
dev_ifsioc
■ sock_ioctl()
功能:：直接调用一个协议特定的函数，如：当socket family是PF_INET6，调用函数inet6_ioctl。
■ inet6_ioctl()
功能：v6对应socket的ioctl内核函数，根据不同的case情况，作相应的处理。
。。。。。。。。。。。。。
case SIOCADDRT:
case SIOCDELRT:
return(ipv6_route_ioctl(cmd,(void *)arg));/*对路由表的ioctl操作，调用内核函数ipv6_route_ioctl进行增加或是删除*/
。。。。。。。。。。。。。。
当ioctl命令字不满足上述各种case情况时：
default:
if ((cmd >= SIOCDEVPRIVATE) &&
(cmd <= (SIOCDEVPRIVATE + 15)))
return(dev_ioctl(cmd,(void *) arg));
/*该设备自己定义了一些ioctl命令字范围在SIOCDEVPRIVATE到SIOCDEVPRIVATE + 15之间），调用函数dev_ioctl实现对该设备指定的ioctl命令的操作*/
■ dev_ioctl()
功能：用来处理所有设备接口的ioctl请求，只是一个包装器， 实际的动作将由dev_ifsioc()来实现。dev_ioctl做的只是检查这个调用是否具有了正当的权限。
具体实现流程图：
■ dev_ifsioc()
功能：真正处理所有设备接口的ioctl请求。
具体操作说明：
函数首先要做的一些事情包括得到与ifr.ifr_name相匹配的设备的结构，但这是在实现特定的接口命令之后。这些特定的接口命令被放置到一个巨大的switch语句之中。其中SIOCDEVPRIVATE命令和其他的在0x89F0到0x89FF之间的代码将出现在switch语句中的一个分支----default语句中，代码最后还增加了对无线网络的支持。内核执行时会检查表示设备的结构变量中，是否已经定义了一个与设备相关的ioctl句柄（handler）。这里的句柄是一个函数指针，它在表示设备的结构变量中do_ioctl部分。如果已经设置了这个句柄，那么内核将会执行它。如ipv6隧道设备体，在初始化时，就作了说明：dev->do_ioctl = ip6ip6_tnl_ioctl，其中函数ip6ip6_tnl_ioctl就是该设备对应的ioctl句柄，由于隧道设备是自己定义的ioctl命令字，因而执行应在default语句中，进而调用到自己定义的ioctl处理函数ip6ip6_tnl_ioctl。
● 用户态程序与内核态通信流程分析：
