Linux字符设备驱动基础（五）

柔光的暖阳◎ 2022-01-22 10:17 276阅读 0赞

# Linux字符设备驱动基础（五） #

## 8 文件操作集 ##

### 8.1 文件操作集概述 ###

struct file_operations {
    	struct module *owner;	//拥有该结构的模块指针，一般有THIS_MODULES
    	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);	//用来修改文件当前读写的位置
    	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);	//从设备中同步读取数据
    	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//向设备发送数据
    	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);	//初始化一个异步读取操作
    	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);	//初始化一个异步写操作
    	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
    	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//执行设备的I/O控制命令
    	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//64bit系统上，32bit的ioctl调用将使用此函数指针代替
    	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);//用于请求将设备内存映射到进程地址空间
    	int (*open) (struct inode *, struct file *);//打开设备，获取设备描述符
    	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);//刷新设备数据流
    	int (*release) (struct inode *, struct file *);//关闭设备
    	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);//刷新待处理的数据
    	int (*fasync) (int, struct file *, int);	//通知设备fasync标志发生变化
    	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 **, void **);
    	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
    			  loff_t len);
    	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
    #ifndef CONFIG_MMU
    	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
    #endif
    	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
    			loff_t, size_t, unsigned int);
    	int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
    			u64);
    	ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *,
    			u64);
    } __randomize_layout;

下面是各成员解析：

*  1、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.这个宏比较复杂，在进行简单学习操作的时候，一般初始化为THIS\_MODULE。
 *  2、loff\_t (\*llseek) (struct file \* filp , loff\_t p, int orig);  
    (指针参数filp为进行读取信息的目标文件结构体指针；参数 p 为文件定位的目标偏移量；参数orig为对文件定位的起始地址，这个值可以为文件开头（SEEK\_SET，0,当前位置(SEEK\_CUR,1)，文件末尾(SEEK\_END,2)）  
    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).
 *  3、ssize\_t (\*read) (struct file \* filp, char \_\_user \* buffer, size\_t size , loff\_t \* p);  
    (指针参数 filp 为进行读取信息的目标文件，指针参数buffer 为对应放置信息的缓冲区（即用户空间内存地址），参数size为要读取的信息长度，参数 p 为读的位置相对于文件开头的偏移，在读取信息后，这个指针一般都会移动，移动的值为要读取信息的长度值）  
    这个函数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).
 *  4、ssize\_t (\*aio\_read)(struct kiocb \* , char \_\_user \* buffer, size\_t size , loff\_t p);  
    可以看出，这个函数的第一、三个参数和本结构体中的read()函数的第一、三个参数是不同 的，异步读写的第三个参数直接传递值，而同步读写的第三个参数传递的是指针，因为AIO从来不需要改变文件的位置。异步读写的第一个参数为指向kiocb结构体的指针，而同步读写的第一参数为指向file结构体的指针，每一个I/O请求都对应一个kiocb结构体);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).(有关linux异步I/O，可以参考有关的资料，《linux设备驱动开发详解》中给出了详细的解答)
 *  5、ssize\_t (\*write) (struct file \* filp, const char \_\_user \* buffer, size\_t count, loff\_t \* ppos);  
    (参数filp为目标文件结构体指针，buffer为要写入文件的信息缓冲区，count为要写入信息的长度，ppos为当前的偏移位置，这个值通常是用来判断写文件是否越界）  
    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。  
    (注：这个操作和上面的对文件进行读的操作均为阻塞操作）
 *  6、unsigned int (\*poll) (struct file \*, struct poll\_table\_struct \*);  
    (这是一个设备驱动中的轮询函数，第一个参数为file结构指针，第二个为轮询表指针）  
    这个函数返回设备资源的可获取状态，即POLLIN，POLLOUT，POLLPRI，POLLERR，POLLNVAL等宏的位“或”结果。每个宏都表明设备的一种状态，如：POLLIN（定义为0x0001）意味着设备可以无阻塞的读，POLLOUT（定义为0x0004）意味着设备可以无阻塞的写。  
    (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。  
    (这里通常将设备看作一个文件进行相关的操作，而轮询操作的取值直接关系到设备的响应情况，可以是阻塞操作结果，同时也可以是非阻塞操作结果)。
 *  7、int (\*unlocked\_ioctl) (struct inode \*inode, struct file \*filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);  
    (inode 和 filp 指针是对应应用程序传递的文件描述符 fd 的值, 和传递给 open 方法的相同参数.cmd 参数从用户那里不改变地传下来, 并且可选的参数 arg 参数以一个 unsigned long 的形式传递, 不管它是否由用户给定为一个整数或一个指针.如果调用程序不传递第 3 个参数, 被驱动操作收到的 arg 值是无定义的.因为类型检查在这个额外参数上被关闭, 编译器不能警告你如果一个无效的参数被传递给 ioctl, 并且任何关联的错误将难以查找.）。  
    unlocked\_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。
 *  8、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。  
    (如果想对这个函数有个彻底的了解，那么请看有关“进程地址空间”介绍的书籍)
 *  9、int (\*open) (struct inode \* inode , struct file \* filp ) ;  
    (inode 为文件节点,这个节点只有一个，无论用户打开多少个文件，都只是对应着一个inode结构；但是filp就不同，只要打开一个文件，就对应着一个file结构体，file结构体通常用来追踪文件在运行时的状态信息）  
    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.与open()函数对应的是release()函数。
 *  10、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。
 *  11、int (\*release) (struct inode \*, struct file \*);  
    release ()函数当最后一个打开设备的用户进程执行close()系统调用的时候，内核将调用驱动程序release()函数：  
    void release(struct inode inode,struct file \*file),release函数的主要任务是清理未结束的输入输出操作，释放资源，用户自定义排他标志的复位等。在文件结构被释放时引用这个操作. 如同 open, release 可以为 NULL。
 *  12、int (\*fasync) (int, struct file \*, int);  
    这个函数是系统支持异步通知的设备驱动，下面是这个函数的模板：
    
        static int ***_fasync(int fd,struct file *filp,int mode)  
          {  
          struct ***_dev * dev=filp->private_data;  
          return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);
          //第四个参数为 fasync_struct结构体指针的指针。  
          //这个函数是用来处理FASYNC标志的函数。（FASYNC：表示兼容BSD的fcntl同步操作）//当这个标志改变时，驱动程序中的fasync（）函数将得到执行。  
          //（注：感觉这个‘标志'词用的并不恰当）  
          }

### 8.2 文件操作集示例 ###

static int chardev_test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    {
        printk(KERN_DEBUG "%s()-%d open chardev_test okay\r\n", __func__, __LINE);
    
        return 0;
    }
    
    static ssize_t chardev_test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
    {
        printk(KERN_DEBUG "%s()-%d read chardev_test okay\r\n", __func__, __LINE__);
    
        return len;
    }
    
    static ssize_t chardev_test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
    {
        printk(KERN_DEBUG "%s()-%d write chardev_test okay\r\n", __func__, __LINE__);
    
        return len;
    }
    
    static long chardev_test_unlocker_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
    {
        printk(KERN_DEBUG "%s()-%d ioctls chardev_test okay\r\n", __func__, __LINE__);
    
        return 0;
    }
    
    #ifdef CONFIG_COMPAT
    static long chardev_test_compat_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
    {
        printk(KERN_DEBUG "%s()-%d ioctls chardev_test okay\r\n", __func__, __LINE__);
    
        return 0;
    }
    #else
    #define chardev_test_compat_ioctl NULL
    #endif
    
    static const struct file_operations chardev_test_fops = {
    	.open	= chardev_test_open,
    	.read    = chardev_test_read,
    	.write   = chardev_test_write,
    	.unlocked_ioctl = chardev_test_unlocker_ioctl,
    	#ifdef CONFIG_COMPAT
    	.compat_ioctl  = chardev_test_compat_ioctl,
    	#endif
    };