linux设备驱动中重要的3个数据结构

大多数基本的驱动操作涉及到内核的
3
个重要数据结构：

file_operations,
file

和
inode

。

我们已经拥有一些设备号，但是如何将其与驱动操作连在一起呢？
file_operations
结构就是这个桥梁，这个结构体定义在
<linux/fs.h>
中，它是一群函数的指针集合，每个所打开的文件都存在一个
f_op
指针指向
file_operations
结构体，里面的操作大部分主要完成系统调用，如
open,read
等。我们可以将
file
看成对象
,
对它操作的操作看成是方法
,
使用面向对象程序设计（
object-oriented
programming
）这个术语表征某一对象的行为声明会作用于它自身。后面将会看到更多这种情况。

一般来说，一个
指向file_operations
结构的指针称为
fops
。这个结构体里面的每个域必须指向驱动中的某些函数以完成一些特定的操作，或者赋予
NULL
值表示没有支持的操作。当被赋予
NULL
时，内核的具体行为对每个函数来说都不尽相同。

1 首先我们来看看
file_operations
结构吧



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

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, 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 (*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 (*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);

int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);

};

看到上面一大坨是不是有点晕呢？其实我们只关注一些在写驱动程序时需要用到的相关项就行了。

当你浏览
file_operations
结构中的各种操作方法时，我们可以发现有许多的参数含有
”__user
”
，可以说这是一种规范吧，用以表明这是用户层空间的指针，在内核中我们不能直接对它进行引用。

先来看第一个域吧：
struct module *owner;


这个域并非某种操作方式，它只是一个指向拥有此结构体的模块的指针，它主要是用来防止模块在使用的过程中被卸载。在大多数情况下，这个域一般都被初始化成
THIS_MODULE,
即
.owner = THIS_MODULE;

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



此方法是用来改变文件中的读写位置，函数正确返回的是一个新的位置。第二个参数：
loff_t

是一个“
long”

型的偏移量，一般是
64

位。函数出错时返回的是负值。

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



此方法用于存储来自设备的数据，当返回值为非负值时表示成功读取的字节数，返回值一般是有符号整型的数据类型。

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



默认情况下为异步读取
–

在函数返回之前，可能读操作并未全部完成。如果此方法为
NULL

型，所有的操作方式都由
read

（同步）代替。

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



主要是给设备发数据，如果函数返回值为非负整数，表示成功写入的字节数。

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



对设备进行异常的写操作

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

对设备文件而言，此域应为
NULL

，因为它是用于读目录，在文件系统中使用。

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



这三个系统调用
（poll, epoll
，
select）最终都用调用底层的poll方法
，换句话说，这三个系统调用最终在驱动里都是执行
poll
方法。他们是用于查询是否对阻塞的文件描述符进行读写操作。
Poll
方法将返回一位隐码标志位（
mask
）来指明是否有可用的非阻塞读或写操作，如果有，则给内核提供一些信息，这些信息用于使相应的进程进入休眠直到
IO
可用。如果驱动中给此域赋
NULL,

此时设备无阻塞发生时依旧都是可读、可写的。

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



ioctl

系统调用提供了一种解决设备特殊命令的方法，如格式化磁盘操作，这些既不是读也不是写操作。此外，许多
ioctl

命令是由内核组织的而非从
ftops

表中引用，如果设备没有提供
ioctl

方法，此系统调用将返回错误。

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



mmap

用于将设备存储空间与进程的地址空间进行映射，如果此域为
NULL,mmap

系统调用将返回
-ENODEV.

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



open
总是在设备文件上执行的第一步操作。这个比较简单，不多说啦。。

int (*flush)
(struct file *);



当进程关闭设备的文件描述时，
flush

操作就被触发，它将对设备执行一些非常重要的操作。不能将其与应用层上的
fsync

操作混淆。在目前，
flush

用在非常少的驱动上，如
SCSI

磁道驱动就使用它来确保在设备关闭之前所有的数据都被写入硬盘，如果
flush

为
NULL,

那么内核会忽略用户应用层的请求。

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



当
file
结构体被释放时，此操作被触发。与
open
一样，它也可以为
NULL.

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



此操作用于通知设备其
FASYNC

标志位发生变化了，此方法在异步通知得到了应用，如果此域为
NULL,

驱动就不支持异步通知操作了。

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

用于完成文件的加锁操作。锁对一般文件而言是必不可少的特性，但是在设备驱动中不会实现它。

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

*);

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

*);

此方法主要完成分散或聚集式的
read/write

操作，应用程序偶尔需要在多个内存区域中做一些简单的读或写操作，这些系统调用可以使应用程序不需要在数据上做一些额外的工作就可以实现在多个内存中做简单的读写。如果为
NULL,

那么调用的就是
read/write

了。

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

,

int);

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

设备驱动一般不涉及此项

int
(*check_flags)(int)

此方法允许模块检查传递给
fcntl(F_SETFL…)

的标志量。

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2file
文件结构



在设备驱动中，这也是个非常重要的数据结构，必须要注意一点，这里的
file
与用户空间程序中的
FILE
指针是不同的，用户空间
FILE
是定义在
C
库中，从来不会出现在内核中。而
struct file
，却是内核当中的数据结构，因此，它也不会出现在用户层程序中。

file
结构体指示一个已经打开的文件，其实系统中的每个打开的文件在内核中都有一个相应的
struct
file
结构体，直至文件被关闭。如果文件被关系，内核就会释放相应的数据结构。

在内核源码中，
struct file
要么表示为
file
，或者为
filp(
意指“
file pointer”),
注意区分一点，
file
指的是
struct file
本身，而
filp
是指向这个结构体的指针。

fmode_t
f_mode;


此文件模式通过
FMODE_READ, FMODE_WRITE
识别了文件为可读的，可写的，或者是二者。在
open
或
ioctl
函数中可能需要检查此域以确认文件的读
/
写权限，你不必直接去检测读或写权限，因为在进行
open/ioctl
等操作时内核本身就需要对其权限进行检测。

loff_t f_pos;



当前读写文件的位置。为
64
位。如果想知道当前文件当前位置在哪，驱动可以读取这个值而不会改变其位置。对
read,write
来说，当其接收到一个
loff_t
型指针作为其最后一个参数时，他们的读写操作便作更新文件的位置，而不需要直接执行
filp ->f_pos
操作。而
llseek
方法的目的就是用于改变文件的位置。

unsigned int
f_flags;



文件标志，如
O_RDONLY, O_NONBLOCK
以及
O_SYNC
。在驱动中还可以检查
O_NONBLOCK
标志查看是否有非阻塞请求。其它的标志较少使用。特别地注意的是，读写权限的检查是使用
f_mode
而不是
f_flog
。所有的标量定义在头文件
<linux/fcntl.h>
中

struct
file_operations *f_op;



与文件相关的各种操作。当文件需要迅速进行各种操作时，内核分配这个指针作为它实现文件打开，读，写等功能的一部分。
filp->f_op
其值从未被内核保存作为下次的引用，即你可以改变与文件相关的各种操作，这种方式效率非常高。

void *private_data;



在驱动调用
open
方法之前，
open
系统调用设置此指针为
NULL
值。你可以很自由的将其做为你自己需要的一些数据域或者不管它，如，你可以将其指向一个分配好的数据，但是你必须记得在
file struct
被内核销毁之前在
release
方法中释放这些数据的内存空间。
private_data
用于在系统调用期间保存各种状态信息是非常有用的。

3 inode
结构



内核使用inode结构体在内核内部表示一个文件。因此，它与表示一个已经打开的文件描述符的结构体(即file 文件结构)是不同的，我们可以使用多个file 文件结构表示同一个文件的多个文件描述符，但此时，所有的这些file文件结构全部都必须只能指向一个inode结构体。

inode结构体包含了一大堆文件相关的信息，但是就针对驱动代码来说，我们只要关心其中的两个域即可：

(1) dev_t i_rdev;



表示设备文件的结点，这个域实际上包含了设备号。

(2)struct cdev *i_cdev;



struct cdev是内核的一个内部结构，它是用来表示字符设备的，当inode结点指向一个字符设备文件时，此域为一个指向inode结构的指针。

此外，内核也提供了两个宏可以从inode结点中获取主次设备号，宏的原型如下：

unsigned int iminor(struct inode *inode);

unsigned int imajor(struct inode *inode);