linux 内核 - ioctl 函数详解 - 全栈程序员必看

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1. 概念

ioctl 是设备驱动程序中设备控制接口函数，一个字符设备驱动通常会实现设备打开、关闭、读、写等功能，在一些需要细分的情境下，如果需要扩展新的功能，通常以增设 ioctl() 命令的方式实现。

在文件 I/O 中，ioctl 扮演着重要角色，本文将以驱动开发为侧重点，从用户空间到内核空间纵向分析 ioctl 函数。

2. 用户空间 ioctl

#include <sys/ioctl.h> 

int ioctl(int fd, int cmd, ...) ;

参数	描述
fd	文件描述符
cmd	交互协议，设备驱动将根据 cmd 执行对应操作
…	可变参数 arg，依赖 cmd 指定长度以及类型

ioctl() 函数执行成功时返回 0，失败则返回 -1 并设置全局变量 errorno 值，如下：

EBADF d is not a valid descriptor. 
EFAULT argp references an inaccessible memory area. 
EINVAL Request or argp is not valid. 
ENOTTY d is not associated with a character special device. 
ENOTTY The specified request does not apply to the kind of object that the descriptor d references.

因此，在用户空间使用 ioctl 时，可以做如下的出错判断以及处理：

int ret;
ret = ioctl(fd, MYCMD);
if (ret == -1) {
    printf("ioctl: %s\n", strerror(errno));
}

在实际应用中，ioctl 最常见的 errorno 值为 ENOTTY（error not a typewriter），顾名思义，即第一个参数 fd 指向的不是一个字符设备，不支持 ioctl 操作，这时候应该检查前面的 open 函数是否出错或者设备路径是否正确

3. 驱动程序 ioctl

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

在新版内核中，与取代了。unlocked_ioctl，顾名思义，应该在无大内核锁（BKL）的情况下调用；compat_ioctl，compat 全称 compatible（兼容的），主要目的是为 64 位系统提供 32 位 ioctl 的兼容方法，也是在无大内核锁的情况下调用。

在《Linux Kernel Development》中对两种 ioctl 方法有详细的解说。

在字符设备驱动开发中，一般情况下只要实现 unlocked_ioctl 函数即可，因为在 vfs 层的代码是直接调用 unlocked_ioctl 函数

// fs/ioctl.c

static long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
              unsigned long arg)
{
    int error = -ENOTTY;

    if (!filp->f_op || !filp->f_op->unlocked_ioctl)           
        goto out;

    error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);
    if (error == -ENOIOCTLCMD) {
        error = -ENOTTY;
    }   
 out:
    return error;
}

4. ioctl 用户与驱动之间的协议

前文提到 ioctl 方法第二个参数 cmd 为用户与驱动的 “协议”，理论上可以为任意 int 型数据，可以为 0、1、2、3……，但是为了确保该 “协议” 的唯一性，ioctl 命令应该使用更科学严谨的方法赋值，在linux中，提供了一种 ioctl 命令的统一格式，将 32 位 int 型数据划分为四个位段，如下图所示：

在内核中，提供了宏接口以生成上述格式的 ioctl 命令：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

#define _IOC(dir,type,nr,size) \
    (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \
     ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
     ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \
     ((size) << _IOC_SIZESHIFT))

dir（direction），ioctl 命令访问模式（数据传输方向），占据 2 bit，可以为 _IOC_NONE、_IOC_READ、_IOC_WRITE、_IOC_READ | _IOC_WRITE，分别指示了四种访问模式：无数据、读数据、写数据、读写数据；
type（device type），设备类型，占据 8 bit，在一些文献中翻译为 “幻数” 或者 “魔数”，可以为任意 char 型字符，例如
‘a’、’b’、’c’ 等等，其主要作用是使 ioctl 命令有唯一的设备标识；
nr（number），命令编号/序数，占据 8 bit，可以为任意 unsigned char 型数据，取值范围 0~255，如果定义了多个 ioctl 命令，通常从 0 开始编号递增；
size，涉及到 ioctl 函数第三个参数 arg ，占据 13bit 或者 14bit（体系相关，arm 架构一般为 14 位），指定了 arg 的数据类型及长度，如果在驱动的 ioctl 实现中不检查，通常可以忽略该参数；

通常而言，为了方便会使用宏 _IOC() 衍生的接口来直接定义 ioctl 命令：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

/* used to create numbers */
#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

_IO：       定义不带参数的 ioctl 命令
_IOW：      定义带写参数的 ioctl 命令（copy_from_user）
_IOR：      定义带读参数的ioctl命令（copy_to_user）
_IOWR：     定义带读写参数的 ioctl 命令

同时，内核还提供了反向解析 ioctl 命令的宏接口：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

/* used to decode ioctl numbers */
#define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
#define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
#define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
#define _IOC_SIZE(nr) (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

5. ioctl_test 实例分析

本例假设一个带寄存器的设备，设计了一个 ioctl 接口实现设备初始化、读写寄存器等功能。在本例中，为了携带更多的数据，ioctl 的第三个可变参数为指针类型，指向自定义的结构体 struct msg。

1、ioctl-test.h，用户空间和内核空间共用的头文件，包含 ioctl 命令及相关宏定义，可以理解为一份 “协议” 文件，代码如下：

// ioctl-test.h

#ifndef __IOCTL_TEST_H__
#define __IOCTL_TEST_H__

#include <linux/ioctl.h> // 内核空间
// #include <sys/ioctl.h> // 用户空间

/* 定义设备类型 */
#define IOC_MAGIC 'c'

/* 初始化设备 */
#define IOCINIT _IO(IOC_MAGIC, 0)

/* 读寄存器 */
#define IOCGREG _IOW(IOC_MAGIC, 1, int)

/* 写寄存器 */
#define IOCWREG _IOR(IOC_MAGIC, 2, int)

#define IOC_MAXNR 3

struct msg {
    int addr;
    unsigned int data;
};

#endif

2、ioctl-test-driver.c，字符设备驱动，实现了unlocked_ioctl 接口，根据上层用户的 cmd 执行对应的操作（初始化设备、读寄存器、写寄存器）。在接收上层 cmd 之前应该对其进行充分的检查，流程及具体代码实现如下：

// ioctl-test-driver.c
......

static const struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = test_open,
    .release = test_close,
    .read = test_read,
    .write = etst_write,
    .unlocked_ioctl = test_ioctl,
};

......

static long test_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, \
                        unsigned long arg)
{
    //printk("[%s]\n", __func__);

    int ret;
    struct msg my_msg;

    /* 检查设备类型 */
    if (_IOC_TYPE(cmd) != IOC_MAGIC) {
        pr_err("[%s] command type [%c] error!\n", \
            __func__, _IOC_TYPE(cmd));
        return -ENOTTY; 
    }

    /* 检查序数 */
    if (_IOC_NR(cmd) > IOC_MAXNR) { 
        pr_err("[%s] command numer [%d] exceeded!\n", 
            __func__, _IOC_NR(cmd));
        return -ENOTTY;
    }    

    /* 检查访问模式 */
    if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
        ret= !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user *)arg, \
                _IOC_SIZE(cmd));
    else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
        ret= !access_ok(VERIFY_READ, (void __user *)arg, \
                _IOC_SIZE(cmd));
    if (ret)
        return -EFAULT;

    switch(cmd) {
    /* 初始化设备 */
    case IOCINIT:
        init();
        break;

    /* 读寄存器 */
    case IOCGREG:
        ret = copy_from_user(&msg, \
            (struct msg __user *)arg, sizeof(my_msg));
        if (ret) 
            return -EFAULT;
        msg->data = read_reg(msg->addr);
        ret = copy_to_user((struct msg __user *)arg, \
                &msg, sizeof(my_msg));
        if (ret) 
            return -EFAULT;
        break;

    /* 写寄存器 */
    case IOCWREG:
        ret = copy_from_user(&msg, \
            (struct msg __user *)arg, sizeof(my_msg));
        if (ret) 
            return -EFAULT;
        write_reg(msg->addr, msg->data);
        break;

    default:
        return -ENOTTY;
    }

    return 0;
}

3、ioctl-test.c，运行在用户空间的测试程序：

// ioctl-test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h> 

#include "ioctl-test.h"

int main(int argc, char **argv)
{

    int fd;
    int ret;
    struct msg my_msg;

    fd = open("/dev/ioctl-test", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        exit(-2);
    }

    /* 初始化设备 */
    ret = ioctl(fd, IOCINIT);
    if (ret) {
        perror("ioctl init:");
        exit(-3);
    }

    /* 往寄存器0x01写入数据0xef */
    memset(&my_msg, 0, sizeof(my_msg));
    my_msg.addr = 0x01;
    my_msg.data = 0xef;
    ret = ioctl(fd, IOCWREG, &my_msg);
    if (ret) {
        perror("ioctl read:");
        exit(-4);
    }

    /* 读寄存器0x01 */
    memset(&my_msg, 0, sizeof(my_msg));
    my_msg.addr = 0x01;
    ret = ioctl(fd, IOCGREG, &my_msg);
    if (ret) {
        perror("ioctl write");
        exit(-5);
    }
    printf("read: %#x\n", my_msg.data);

    return 0;
}

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