從ioctl這個名稱上看,它是設(shè)備驅(qū)動程序中對設(shè)備的 I/O通道進(jìn)行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進(jìn)行管理，就是對設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達(dá)的轉(zhuǎn)速等等, 但實際上ioctl所處理的對象并不限制是真正的I/O設(shè)備，還可以是其它任何一個內(nèi)核設(shè)備.ioctl以系統(tǒng)調(diào)用的形式提供了一條用戶與內(nèi)核交互的便捷 途徑。當(dāng)前一些寬帶計費(fèi)網(wǎng)關(guān)、防火墻系統(tǒng)均利用Ioctl與內(nèi)核良好的通信互動特點(diǎn)支持用戶對基于內(nèi)核模塊的軟件系統(tǒng)的控制.本文針對i386平臺下的 ioctl內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)源代碼控制框架進(jìn)行剖析解釋，在文章最后列舉一個實例，通過編程實踐展示如何通過ioctl控制函數(shù)實現(xiàn)自定義的功能的控制，使讀者可 以對ioctl實現(xiàn)原理有一個全面的認(rèn)識，本文只對ioctl實現(xiàn)流程框架做一定的敘述，并不會深入到具體的控制函數(shù)。為了更好的閱讀本文，要求讀者對 Linux 下的網(wǎng)絡(luò)編程有一定的了解。

通過man 2 ioctl命令查看ioctl函數(shù)的調(diào)用形式類似如下：

其中d就是用戶程序打開設(shè)備時使用open函數(shù)返回的文件描述符，request就是用戶程序?qū)υO(shè)備的控制命令，至于后面的省略號，則是一些補(bǔ)充參數(shù)，一般最多一個，有或沒有是和request的意義相關(guān)的,詳情請參考man 2 ioctl_list以了解更多。ioctl函數(shù)是文件結(jié)構(gòu)中的一個屬性分量，就是說如果驅(qū)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(shù)控制設(shè)備的I/O通道或其它一些自己想要控制且設(shè)備支持的功能。

內(nèi)核實現(xiàn)ioctl()函數(shù)的是sys_ioctl(),在內(nèi)核中主要調(diào)用框架圖如下,它清晰地給我們展示ioctl的控制傳遞框架,我們接下來的內(nèi)容將根據(jù)此圖向大家做詳細(xì)的解釋：

根據(jù)前面的圖示,我們從入口函數(shù)sys_ioctl開始分析:

以下源碼在fs/ioctl.c中，其中刪除了部分與網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系不大的代碼：

asmlinkage long sys_ioctl(unsigned int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg)

{    

       …//根據(jù)fd獲取文件結(jié)構(gòu)(struct file)

              case FIOCLEX://對文件設(shè)置專用標(biāo)志，通知內(nèi)核自動關(guān)閉打開的文件

              case FIONCLEX://與FIOCLEX標(biāo)志相反，清除專用標(biāo)志

              case FIONBIO://將文件操作設(shè)置成阻塞/非阻塞

              case FIOASYNC:// 將文件操作設(shè)置成同步/異步IO

              …    //以上省略的代碼是關(guān)于具體的磁盤文件系統(tǒng)的控制處理，

                     //關(guān)于socket的阻塞或非阻塞等設(shè)置很簡單，有興趣的讀者直接閱讀源碼吧

default: //文件其它部分的處理被放在了default部分

                     if (S_ISREG(filp->f_dentry->d_inode->i_mode)) //普通文件

out:

}

注意上面藍(lán)色字體部分，即為調(diào)用網(wǎng)絡(luò)部分的代碼入口。大家注意在default情況下，有個S_ISREG宏對文件類型作判斷，其定義在include/linux/stat.h中：

#define S_ISLNK(m)     (((m) & S_IFMT) == S_IFLNK) //符號連接文件

#define S_ISREG(m)     (((m) & S_IFMT) == S_IFREG) //普通文件

#define S_ISDIR(m)      (((m) & S_IFMT) == S_IFDIR)   //目錄文件

#define S_ISCHR(m)     (((m) & S_IFMT) == S_IFCHR) //字符設(shè)備文件

#define S_ISBLK(m)     (((m) & S_IFMT) == S_IFBLK)   //塊設(shè)備文件

#define S_ISFIFO(m)    (((m) & S_IFMT) == S_IFIFO)   //管道文件

#define S_ISSOCK(m)   (((m) & S_IFMT) == S_IFSOCK)       //socket套接字文件

因為linux內(nèi)核把socket套接字當(dāng)作文件來處理， 內(nèi)核在創(chuàng)建socket套接字時，為套接字分配文件id以及生成與id對應(yīng)的文件節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的i_mode域是代表文件類型的位域標(biāo)志字段，所以內(nèi)核定義 了上述宏來簡化判斷操作。由于套接字文件不屬于普通文件之列，所以程序直接執(zhí)行藍(lán)色字體部分。

我們來看一下filp->f_op->ioctl函數(shù)指針指向了什么函數(shù)，可以參考net/socket.c文件中的sys_socket->sock_map_fd函數(shù)中的一行代碼(藍(lán)色部分代碼)：

static int sock_map_fd(struct socket *sock)

{

}

內(nèi)核在用戶創(chuàng)建socket套接字時就將此套接字的文件操 作函數(shù)指針初始化了。從上面的代碼我們可以看到，filp->f_op以及文件對應(yīng)的socket節(jié)點(diǎn)的i_fop指針都被賦值為指向 socket_file_ops結(jié)構(gòu)，所以我們來看看內(nèi)核是如何實現(xiàn)這個控制過程的轉(zhuǎn)移的。還是在內(nèi)核的net/socket.c文件中，定義了 socket_file_ops結(jié)構(gòu)如下：

static struct file_operations socket_file_ops = {

llseek:             sock_lseek,

read:                     sock_read,

write:             sock_write,

poll:               sock_poll,

mmap:            sock_mmap,

open:              sock_no_open,       /* special open code to disallow open via /proc */

release:           sock_close,

fasync:           sock_fasync,

readv:             sock_readv,

writev:           sock_writev

};

從上面的代碼來看,這個結(jié)構(gòu)定義了socket描述字的文 件操作函數(shù)，如對描述字調(diào)用read函數(shù)讀數(shù)據(jù)時最終將訪問sock_read函數(shù)，對描述字調(diào)用write函數(shù)讀數(shù)據(jù)時最終將訪問sock_write 函數(shù)，等等。而對ioctl的訪問最終將轉(zhuǎn)化為調(diào)用sock_ioctl函數(shù)，看到此處我們明白了，filp->f_op->ioctl (filp->f_dentry->d_inode, filp, cmd, arg)調(diào)用實質(zhì)上轉(zhuǎn)化為對sock_ioctl函數(shù)的調(diào)用。

sock_ioctl函數(shù)依然在net/socket.c文件中，列出如下：

int sock_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)

{

}

此處函數(shù)引入inode參數(shù)實質(zhì)是通過節(jié)點(diǎn)找到套接字對應(yīng) 的socket結(jié)構(gòu)，通過socket的struct proto_ops類型的字段ops執(zhí)行具體的控制操作(即sock->ops->ioctl(sock, cmd, arg))，函數(shù)socki_lookup也在文件net/socket.c中，列出如下：

extern __inline__ struct socket *socki_lookup(struct inode *inode)

{

}

寫到這大家可能要問為什么不直接在filp->f_op->ioctl函數(shù)指針指向的函數(shù)里面執(zhí)行ioctl控制操作而要做兩次跳轉(zhuǎn)呢？其實這與linux良好的設(shè)計規(guī)范和業(yè)務(wù)支持的實際情況都有關(guān)系，第一次跳轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)入套接字單獨(dú)處理，因為內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)部分是非常重要的，可以與文件系統(tǒng)相提并論，將網(wǎng)絡(luò)部分獨(dú)立出來處理在設(shè)計思路上更清晰；另外，linux內(nèi)核支持不同層次、類型的套接字，如ipv4、ipv6套接字以及sock_raw原始套接字，對于這些套接字的處理有一定的相似性，又有其不同的地方。所以引入第二次跳轉(zhuǎn)的目的也即在此,以支持對不同的協(xié)議類型的套接字進(jìn)行不同控制,詳情見下面小節(jié)的介紹