ioctl函数讲解

在学习Linux设备驱动和视频开发的时候,对于这个函数又去了解了一下,因为之前觉得似懂非懂,所以这里来个总结吧,下面的都是在v4l2上面来讲解一下
 

1.ioctl 是什么？

可以把 ioctl（Input/Output Control）想象成一个万能遥控器。就像平时用遥控器控制电视（换台、调音量、设置画质），ioctl 就是用来控制各种硬件设备的“遥控器”

2.为什么需要它？

• 普通的 read() 和 write() 只能做简单的读写（像用键盘打字）
• 但硬件设备有很多复杂操作：比如设置摄像头分辨率、调整麦克风音量、让打印机换纸...
• 这些特殊操作，全都可以交给 ioctl 来搞定

3.函数原型

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

• fd：文件描述符（就是你用 open() 打开设备后得到的那个“门票”）
• request：你要发送的“指令代码”（比如：调大音量、获取分辨率）
• ...：附加参数（通常是个结构体指针，用来传递/接收数据）

这里也要解释一下:
误区：认为“结构体里必须包含命令字段”
真相：结构体只是用来传递数据，真正决定操作的是 request 参数。结构体的内容必须与 request 匹配

4.举个栗子 🌰：控制摄像头

假设你有一个摄像头设备 /dev/video0：

1. 打开设备：

   int fd = open("/dev/video0", O_RDWR); // 拿到“门票”fd

2. 设置视频格式：

   struct v4l2_format fmt = {0};
   fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
   fmt.fmt.pix.width = 640;
   fmt.fmt.pix.height = 480;
   
   // 发送指令：告诉摄像头  我要设置格式为640x480
   ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt); 

   • VIDIOC_S_FMT 是预设的指令代码（表示“设置格式”）
   • &fmt 是传递的参数（具体要设置什么格式）

还是很抽象啊
比如说:

a.为什么 request 参数那么奇怪（比如 VIDIOC_S_FMT）？

• 这些是 Linux 内核预先定义好的“魔法数字”，每个设备驱动都有自己的指令列表
• v4l2 的指令都以 VIDIOC_ 开头（Video IO Control），比如：
  • VIDIOC_QUERYCAP：查询设备能力（“你能做什么？”）
  • VIDIOC_REQBUFS：申请缓冲区（“给我腾点内存存视频数据！”）

b. 为什么会失败？

• 常见错误：errno = EINVAL（无效参数）
• 可能原因：设备不支持你的指令、参数结构体填错了

这不得不感叹,搞出这东西的人,真tm天才

好吧,其实还是懵
我有俩个关键点不明白:

1. request 参数决定一切：

   • ioctl 的第二个参数 request 是核心指令，它决定了：
     • 你要执行什么操作（比如“设置分辨率”还是“查询设备信息”）
     • 第三个参数应该传什么类型的数据（可能是结构体指针、整数、甚至不需要参数）

2. 结构体指针的作用：

   • 当你发送一个 request（比如 VIDIOC_S_FMT），驱动会预期你传递一个特定结构体的指针（比如 struct v4l2_format *）。
   • 结构体里的字段必须符合驱动要求，否则会失败（比如填错了字段名，或传了非法值）

举个反例🌰

假设你发送 VIDIOC_S_FMT（设置格式），但传了一个错误的结构体：
我的理解是:ioctl已经做好了吃草莓的准备了,你硬是要塞个苹果给他吃....他发现味道不对啊,就出现错误了

// 错误！应该传 struct v4l2_format，但传成了 int
int width = 640;
ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &width); // 会失败，驱动预期的是结构体

• 驱动预期收到 struct v4l2_format *，但你传了 int *，导致内核无法解析数据，返回 EINVAL 错误

到这里,我还是一知半解,不过至少知道了ioctl是遥控器,然后可以给我的设备传输命令了

但是呢,有个问题来了ioctl怎么知道request这个命令的?
好吧,深入一点点内核和驱动的设计逻辑  不过丫的好多,好复杂,做个略懂就可以了

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1. request 命令的本质(下面的有些容易懵圈,我自己也只做了解了)

request 是一个整数，但不是随便写的！它的二进制位中编码了关键信息：

// 内核中定义 ioctl 命令的宏（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（方向）: 数据传递方向（_IOC_NONE 无数据，_IOC_READ 读，_IOC_WRITE 写）
• type（类型）: 一个字符，标识设备类型（比如 'V' 表示视频设备）
• nr（序号）: 命令的编号（比如 1 表示第一个命令）
• size（大小）: 第三个参数的数据大小（比如 sizeof(struct my_struct)）

2. 命令的来源

2.1 驱动开发者定义

每个设备驱动会自己定义支持的 ioctl 命令。例如摄像头驱动（V4L2）定义了大量命令：

// 在 include/uapi/linux/videodev2.h 中
#define VIDIOC_QUERYCAP     _IOR('V', 0, struct v4l2_capability) // 查询设备能力
#define VIDIOC_S_FMT        _IOW('V', 4, struct v4l2_format)     // 设置格式

• _IOR 表示这是一个读操作（驱动→用户），第三个参数类型是 struct v4l2_capability
• _IOW 表示这是一个写操作（用户→驱动），参数类型是 struct v4l2_format

2.2 用户空间使用

当你在用户层调用 ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) 时：

• VIDIOC_S_FMT 已经被预定义为特定整数（包含方向、类型、序号、结构体大小）
• 驱动通过解码 request 中的信息，知道你要执行设置格式操作，并期望收到一个 struct v4l2_format 结构体

这里我又难受了,什么IOC,IOR,IOW的

来写一下吧,这倒霉孩子
IOC、IOR、IOW 是 Linux 内核中用于构造 ioctl 命令的层级式宏，它们的关系可以理解为“基础宏”和“快捷宏”的关系

这里是IOC之类的知识了

这里简单说一下结论吧....就好像_IOC是原材料,_IOR,_IOW就好像是预制菜

关于为什么要写这个....是因为request 命令的来源：由驱动开发者定义,通过宏 _IO, _IOR, _IOW, _IOWR 生成

1.层级关系

• _IOC：最底层的宏，直接构造 ioctl 命令的整数。
• _IO、_IOR、_IOW、_IOWR：基于 _IOC 的快捷宏，简化了常用场景的命令构造。

宏名	作用	等价于
_IO	生成一个无数据传输的命令（仅发送指令，不需要参数）	_IOC(_IOC_NONE, type, nr, 0)
_IOR	生成一个从内核读取数据的命令（用户→内核→用户）	_IOC(_IOC_READ, type, nr, sizeof(t))
_IOW	生成一个向内核写入数据的命令（用户→内核）	_IOC(_IOC_WRITE, type, nr, sizeof(t))
_IOWR	生成一个双向传输数据的命令（用户↔内核）	_IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE, type, nr, sizeof(t))

2. 参数详解

所有宏最终都调用 _IOC，其参数如下：

_IOC(dir, type, nr, size)

参数	作用
dir	数据方向（_IOC_NONE、_IOC_READ、_IOC_WRITE 或其组合）
type	设备类型标识符（一个 ASCII 字符，如 'V' 表示视频设备）
nr	命令编号（0~255，区分同一设备的不同操作）
size	用户传递的数据大小（例如 sizeof(struct my_data)）

request 参数本质上是一个32位整数，它的二进制位被划分为4个关键字段：
有点啰嗦了,但是记得住一些 

| 方向 (2 bits) | 类型 (8 bits) | 序号 (8 bits) | 数据大小 (14 bits) |

• 方向 (dir)：用2位表示数据传输方向

  • _IOC_NONE (0): 无数据传输（纯命令）
  • _IOC_READ (1): 从驱动读取数据
  • _IOC_WRITE (2): 向驱动写入数据
  • _IOC_READ|_IOC_WRITE (3): 双向传输

• 类型 (type)：一个ASCII字符（如 'V' 表示视频设备），用于防止不同设备间的命令冲突

• 序号 (nr)：命令的编号（0~255），区分同一设备的不同操作

• 数据大小 (size)：用户传递的数据结构的大小（最大16KB）

//这里就知道了‘基础宏’和‘快捷宏’了
// 基础宏
#define _IOC(dir,type,nr,size) // 组合四个字段

// 快捷宏
#define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
#define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

到此为止吧,如果有不足的话,请看到这里的佬提醒我,不胜感激