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file_operation（文件操作）file（文件）inode（节点）

2010-06-06 15:34 295 查看
file_operation（文件操作）file（文件）inode（节点）
file_operation就是把系统调用和驱动程序关联起来的关键数据结构。这个结构的每一个成员都对应着一个系统调用。读取file_operation中相应的函数指针，接着把控制权转交给函数，从而完成了Linux设备驱动程序的工作。

在系统内部，I/O设备的存取操作通过特定的入口点来进行，而这组特定的入口点恰恰是由设备驱动程序提供的。通常这组设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。

传统上,一个file_operation结构或者其一个指针称为fops(或者它的一些变体).结构中的每个成员必须指向驱动中的函数,这些函数实现一个特别的操作,或者对于不支持的操作留置为NULL.当指定为NULL指针时内核的确切的行为是每个函数不同的。

在你通读file_operations方法的列表时,你会注意到不少参数包含字串__user.这种注解是一种文档形式,注意,一个指针是一个不能被直接解引用的用户空间地址.对于正常的编译, __user没有效果,但是它可被外部检查软件使用来找出对用户空间地址的错误使用。

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注册设备编号仅仅是驱动代码必须进行的诸多任务中的第一个。首先需要涉及一个别的，大部分的基础性的驱动操作包括3个重要的内核数据结构，称为file_operations，file，和inode。需要对这些结构的基本了解才能够做大量感兴趣的事情。

struct file_operations是一个字符设备把驱动的操作和设备号联系在一起的纽带，是一系列指针的集合，每个被打开的文件都对应于一系列的操作，这就是file_operations,用来执行一系列的系统调用。
struct file代表一个打开的文件，在执行file_operation中的open操作时被创建，这里需要注意的是与用户空间inode指针的区别，一个在内核，而file指针在用户空间，由c库来定义。ITPUB个人空间;x l k j)h1N._ ]#~&o
struct inode被内核用来代表一个文件，注意和struct file的区别，struct inode一个是代表文件，struct file一个是代表打开的文件ITPUB个人空间1z d1x-L ]
struct inode包括很重要的二个成员：ITPUB个人空间5m c-O,~6w L
dev_t i_rdev 设备文件的设备号ITPUB个人空间 E e R / `,B r
struct cdev *i_cdev代表字符设备的数据结构
d#n:` E i h G;J0struct inode结构是用来在内核内部表示文件的.同一个文件可以被打开好多次,所以可以对应很多struct file,但是只对应一个struct inode.
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
};
File_operations的数据结构如下：

struct module *owner

第一个file_operations成员根本不是一个操作;它是一个指向拥有这个结构的模块的指针.这个成员用来在它的操作还在被使用时阻止模块被卸载.几乎所有时间中,它被简单初始化为THIS_MODULE,一个在<linux/module.h>中定义的宏.

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

llseek方法用作改变文件中的当前读/写位置,并且新位置作为(正的)返回值. loff_t参数是一个"long offset",并且就算在32位平台上也至少64位宽.错误由一个负返回值指示.如果这个函数指针是NULL, seek调用会以潜在地无法预知的方式修改file结构中的位置计数器(在"file结构"一节中描述).

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

用来从设备中获取数据.在这个位置的一个空指针导致read系统调用以-EINVAL("Invalid argument")失败.一个非负返回值代表了成功读取的字节数(返回值是一个"signed size"类型,常常是目标平台本地的整数类型).

ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);

初始化一个异步读--可能在函数返回前不结束的读操作.如果这个方法是NULL,所有的操作会由read代替进行(同步地).

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

发送数据给设备.如果NULL, -EINVAL返回给调用write系统调用的程序.如果非负,返回值代表成功写的字节数.

ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t *);

初始化设备上的一个异步写.

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

对于设备文件这个成员应当为NULL;它用来读取目录,并且仅对文件系统有用.

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

poll方法是3个系统调用的后端: poll, epoll,和select,都用作查询对一个或多个文件描述符的读或写是否会阻塞. poll方法应当返回一个位掩码指示是否非阻塞的读或写是可能的,并且,可能地,提供给内核信息用来使调用进程睡眠直到I/O变为可能.如果一个驱动的poll方法为NULL,设备假定为不阻塞地可读可写.

int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

ioctl系统调用提供了发出设备特定命令的方法(例如格式化软盘的一个磁道,这不是读也不是写).另外,几个ioctl命令被内核识别而不必引用fops表.如果设备不提供ioctl方法,对于任何未事先定义的请求(-ENOTTY, "设备无这样的ioctl"),系统调用返回一个错误.

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

mmap用来请求将设备内存映射到进程的地址空间.如果这个方法是NULL, mmap系统调用返回-ENODEV.

int (*open) (struct inode *, struct file *);

尽管这常常是对设备文件进行的第一个操作,不要求驱动声明一个对应的方法.如果这个项是NULL,设备打开一直成功,但是你的驱动不会得到通知.

int (*flush) (struct file *);

flush操作在进程关闭它的设备文件描述符的拷贝时调用;它应当执行(并且等待)设备的任何未完成的操作.这个必须不要和用户查询请求的fsync操作混淆了.当前, flush在很少驱动中使用; SCSI磁带驱动使用它,例如,为确保所有写的数据在设备关闭前写到磁带上.如果flush为NULL,内核简单地忽略用户应用程序的请求.

int (*release) (struct inode *, struct file *);

在文件结构被释放时引用这个操作.如同open, release可以为NULL.

int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);

这个方法是fsync系统调用的后端,用户调用来刷新任何挂着的数据.如果这个指针是NULL,系统调用返回-EINVAL.

int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int);

这是fsync方法的异步版本.

int (*fasync) (int, struct file *, int);

这个操作用来通知设备它的FASYNC标志的改变.异步通知是一个高级的主题,在第6章中描述.这个成员可以是NULL如果驱动不支持异步通知.

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

lock方法用来实现文件加锁;加锁对常规文件是必不可少的特性,但是设备驱动几乎从不实现它.

ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

这些方法实现发散/汇聚读和写操作.应用程序偶尔需要做一个包含多个内存区的单个读或写操作;这些系统调用允许它们这样做而不必对数据进行额外拷贝.如果这些函数指针为NULL, read和write方法被调用(可能多于一次).

ssize_t (*sendfile)(struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);

这个方法实现sendfile系统调用的读,使用最少的拷贝从一个文件描述符搬移数据到另一个.例如,它被一个需要发送文件内容到一个网络连接的web服务器使用.设备驱动常常使sendfile为NULL.

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

sendpage是sendfile的另一半;它由内核调用来发送数据,一次一页,到对应的文件.设备驱动实际上不实现sendpage.

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

这个方法的目的是在进程的地址空间找一个合适的位置来映射在底层设备上的内存段中.这个任务通常由内存管理代码进行;这个方法存在为了使驱动能强制特殊设备可能有的任何的对齐请求.大部分驱动可以置这个方法为NULL.

int (*check_flags)(int)

这个方法允许模块检查传递给fnctl(F_SETFL...)调用的标志.

int (*dir_notify)(struct file *, unsigned long);

这个方法在应用程序使用fcntl来请求目录改变通知时调用.只对文件系统有用;驱动不需要实现dir_notify.

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struct file {
/*
* fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
* fu_rcuhead for RCU freeing
*/
union {
struct list_head fu_list;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
struct dentry *f_dentry;
struct vfsmount *f_vfsmnt;
const struct file_operations *f_op;
atomic_t f_count;
unsigned int f_flags;
mode_t f_mode;
loff_t f_pos;
struct fown_structf_owner;
unsigned int f_uid, f_gid;
struct file_ra_statef_ra;

unsigned long f_version;
void *f_security;

/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
struct list_head f_ep_links;
spinlock_t f_ep_lock;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping;
};

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