深入了解Linux内核与用户空间通信的机制 (linux内核和用户空间通信)

Linux是一个近乎无处不在的操作系统，它的内核是整个系统的核心。然而，系统并不是在一个闭合的空间中运行的，实际上，系统和用户之间需要进行通信和交互。这就需要了解Linux内核与用户空间通信的机制。本文将深入介绍这个机制的实现原理与具体方法。

概述

在Linux中，内核和用户空间之间的通信机制是非常重要的。因为操作系统需要处理各种输入输出，包括进程、网络、文件系统等，这些都是在内核中进行的。用户空间与内核空间之间的通信则是通过系统调用实现的。用户空间的程序可以通过系统调用发出请求，请求内核执行特定的操作，如打开或关闭文件，创建或销毁进程等。而内核则通过系统调用返回结果，向用户空间提供必要的信息。

Linux内核与用户空间通信的机制主要有以下几种：

1.系统调用

2.命令行接口

3.共享内存

4.管道

5.信号

6.消息队列

7.套接字

8.文件系统

这些通信机制实现的效率和性能各有差异，可以根据具体的应用场景选择最适合的机制。

系统调用

系统调用是Linux内核与用户空间通信的最常用的机制。系统调用是用户程序向操作系统内核请求服务的一个接口，系统调用将参数传递给内核，并返回执行结果。系统调用的实现是通过软中断（software interrupt）机制，即用户程序通过int 0x80指令触发软中断，进入内核空间完成相应的操作。

系统调用的优点是效率高，因为它是和内核紧密联系的代码，可以直接使用内核的数据结构和函数。同时，它也是安全的，内核可以根据用户账户和进程权限进行安全检查。

命令行接口

命令行接口是一种基于字符界面的通信机制，它通过shell解释器进行用户和内核的交互。用户可以通过键入命令和参数，向内核发出相应的请求。这种通信机制有一定的灵活性，用户可以根据自己的需求定制各种命令。但是，它的效率比较低，且需要一定的操作经验。

共享内存

共享内存是一种内存映射机制，它将一段内存区域映射到多个进程中，实现多个进程之间的数据共享。共享内存机制的优点是效率高，因为多个进程可以直接访问同一块内存区域，且无需复制数据。但是，共享内存也存在一些问题，例如需要协调访问控制和同步机制等。

管道

管道是一种一对一的通信机制，它将两个进程的输入输出流连接起来，实现进程之间数据的传输。管道机制的优点是简单易用，但是它只能实现单向数据传输，且只能用于亲缘进程（有相同的父进程），无法实现远程进程的通信。

信号

信号是一种轻量级的通信机制，它可以在程序运行时向进程发送异步通知。信号通常用于进程间的通信，例如等待子进程的结束状态等。但是，信号的使用有一些限制，例如信号的数量和发送方式等。

消息队列

消息队列是一种基于内核的通信机制，它通过内核缓冲区实现进程之间的异步通信。消息队列的优点是实现简单，可以发送和接收任意数据类型的消息，但是它的容量有限，且需要适当的同步和访问控制。

套接字

套接字是一个基于网络的通信机制，它可以实现跨主机的进程通信。套接字是一种双向通信机制，可以实现客户端和服务器端之间的交互。套接字的优点是灵活性强，可以实现各种复杂的应用程序，但是它需要网络协议的支持，且具有一定的复杂性。

文件系统

文件系统是Linux内核中非常重要的一部分，它提供了一种统一的接口，用于用户程序和内核进行文件和目录的管理。文件系统的优点是借鉴了Unix的设计思想，具有简单、灵活、可扩展等特点，但是它的速度比其他通信机制慢一些，且需要文件系统的磁盘空间。

Linux内核与用户空间通信的机制是整个系统的核心，具有重要的意义。本文介绍了8种通信机制，它们各有千秋，可根据实际应用选择最适合的机制。特别值得一提的是，由于Linux内核是开源的，因此用户可以根据自己的需要，自主开发和定制自己的通信机制。

相关问题拓展阅读：

• 求教64位Linux的内核和用户地址空间
• Linux-怎么理解软中断

求教64位Linux的内核和用户地址空间

我们都知道，32位的陆岩Linux中，0xxBFFFFFFFFF 这3GB是分槐明配给用户空间的

0xCxFFFFFFFFFF 这1GB是分配给内核空间的。对于64位的Linux，用户空间和内核空间的分界线在：0xffffffff。前面的（小的）是用户空早明御间，后面（大的）的是内核空间。

Linux-怎么理解软中断

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

你可能要问了，为什么要有中断呢？我可以举个生活中的例子，让感受一下中断的魅力。

比如你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了，所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到一响，接、取外卖就可以了。

这里的“打电首返宴话”，其实就是一个中断。没接到的时候，你可以做其他的事情；只有接到了者银（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

这个例子你就可以发现，

中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，

为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。

如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

那么还是以取外卖为例。假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了取外卖的方式。但是，问题又来了。

当之一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打。

但是很明显，因为占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是

上半部和下半部：

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，之一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的。

除了取外卖，我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。

网卡接收到数据包后，会通过

硬件中断

的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。你可以自己先想一下，这种情况下的上半部和下半部分别世扒负责什么工作呢？

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个

软中断

信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

实际上，上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”，比如说， 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

不知道你还记不记得，前面提到过的 proc 文件系统。它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中：

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数：

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

之一，要注意软中断的类型，也就是这个界面中之一列的内容。从之一列你可以看到，软中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。

第二，要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是同一行的内容。正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。比如这个界面中，NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不大。

不过你可能发现，TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，刚刚提到过，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：

注意，这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：

上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。

下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作。

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型，可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

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