Linux字符設備中的兩個重要結構體（file、inode）

對於Linux系統中，通常字符設備和驅動之間的函數調用關係以下圖所示

上圖描述了用戶空間應用程序經過系統調用來調用程序的過程。通常而言在驅動程序的設計中，會關係 struct file 和 struct inode 這兩個結構體。

用戶空間使用open()系統調用函數打開一個字符設備時（ int fd = open("dev/demo", O_RDWR) ）大體有如下過程：

1. 在虛擬文件系統VFS中的查找對應與字符設備對應 struct inode節點
2. 遍歷字符設備列表（chardevs數組），根據inod節點中的 cdev_t設備號找到cdev對象
3. 建立struct file對象（系統採用一個數組來管理一個進程中的多個被打開的設備，每一個文件秒速符做爲數組下標標識了一個設備對象）
4. 初始化struct file對象，將 struct file對象中的 file_operations成員指向 struct cdev對象中的 file_operations成員（file->fops =  cdev->fops）
5. 回調file->fops->open函數

1、inode結構體

         VFS inode 包含文件訪問權限、屬主、組、大小、生成時間、訪問時間、最後修改時間等信息。它是Linux 管理文件系統的最基本單位，也是文件系統鏈接任何子目錄、文件的橋樑。

        內核使用inode結構體在內核內部表示一個文件。所以，它與表示一個已經打開的文件描述符的結構體(即file 文件結構)是不一樣的，咱們可使用多個file 文件結構表示同一個文件的多個文件描述符，但此時，全部的這些file文件結構所有都必須只能指向一個inode結構體。

      inode結構體包含了一大堆文件相關的信息，可是就針對驅動代碼來講，咱們只要關心其中的兩個域便可：

1. dev_t i_rdev;     表示設備文件的結點，這個域實際上包含了設備號。
2. struct cdev *i_cdev;　　struct cdev是內核的一個內部結構，它是用來表示字符設備的，當inode結點指向一個字符設備文件時，此域爲一個指向inode結構的指針。

下面是源代碼：

struct inode {  
　　struct hlist_node i_hash;  
　　struct list_head i_list;  
　　struct list_head i_sb_list;  
　　struct list_head i_dentry;  
　　unsigned long  i_ino;  
　　atomic_t  i_count;  
　　unsigned int  i_nlink;  
　　uid_t   i_uid;//inode擁有者id  
　　gid_t   i_gid;//inode所屬羣組id  
　　dev_t   i_rdev;//如果設備文件，表示記錄設備的設備號  
　　u64   i_version;  
　　loff_t   i_size;//inode所表明大少  
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED  
　　seqcount_t  i_size_seqcount;  
#endif  
　　struct timespec  i_atime;//inode最近一次的存取時間  
　　struct timespec  i_mtime;//inode最近一次修改時間  
　　struct timespec  i_ctime;//inode的生成時間  
　　unsigned int  i_blkbits;  
　　blkcnt_t  i_blocks;  
　　unsigned short          i_bytes;  
　　umode_t   i_mode;  
　　spinlock_t  i_lock;   
　　struct mutex  i_mutex;  
　　struct rw_semaphore i_alloc_sem;  
　　const struct inode_operations *i_op;  
　　const struct file_operations *i_fop;   
　　struct super_block *i_sb;  
　　struct file_lock *i_flock;  
　　struct address_space *i_mapping;  
　　struct address_space i_data;  
#ifdef CONFIG_QUOTA  
　　struct dquot  *i_dquot[MAXQUOTAS];  
#endif  
　　struct list_head i_devices;  
　　union {  
　　　　struct pipe_inode_info *i_pipe;  
　　　　struct block_device *i_bdev;  
　　　　struct cdev  *i_cdev;//如果字符設備，對應的爲cdev結構  
　　}; 
}; 

struct inode{...}

 inode的相關操做函數

/* 內核函數從inode中提取設備號 */

/* 提取主設備號 */
static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
{
　　return MAJOR(inode->i_rdev);
}
/* 提取次設備號 */
static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)
{
　　return MINOR(inode->i_rdev);
}

  2、file 文件結構體

       在設備驅動中，這也是個很是重要的數據結構，必需要注意一點，這裏的file與用戶空間程序中的FILE指針是不一樣的，用戶空間FILE是定義在C庫中，歷來不會出如今內核中。而struct file，倒是內核當中的數據結構，所以，它也不會出如今用戶層程序中。

       file結構體指示一個已經打開的文件（設備對應於設備文件），其實系統中的每一個打開的文件在內核空間都有一個相應的struct file結構體，它由內核在打開文件時建立，並傳遞給在文件上進行操做的任何函數，直至文件被關閉。若是文件被關閉，內核就會釋放相應的數據結構。

     在內核源碼中，struct file要麼表示爲file，或者爲filp(意指「file pointer」), 注意區分一點，file指的是struct file自己，而filp是指向這個結構體的指針。

下面是幾個重要成員：

一、fmode_t f_mode;

      此文件模式經過 FMODE_READ ,  FMODE_WRITE 識別了文件爲可讀的，可寫的，或者是兩者。在open或ioctl函數中可能須要檢查此域以確認文件的讀/寫權限，你沒必要直接去檢測讀或寫權限，由於在進行octl等操做時內核自己就須要對其權限進行檢測。

二、 loff_t f_pos;

     當前讀寫文件的位置。爲64位。若是想知道當前文件當前位置在哪，驅動能夠讀取這個值而不會改變其位置。對read,write來講，當其接收到一個loff_t型指針做爲其最後一個參數時，他們的讀寫操做便做更新文件的位置，而不須要直接執行filp ->f_pos操做。而

三、unsigned int f_flags;

     文件標誌，如 O_RDONLY ,  O_NONBLOCK 以及 O_SYNC 。在驅動中還能夠檢查O_NONBLOCK標誌查看是否有非阻塞請求。其它的標誌較少使用。特別地注意的是，讀寫權限的檢查是使用f_mode而不是f_flog。全部的標量定義在頭文件中

四、struct file_operations *f_op;

    與文件相關的各類操做。當文件須要迅速進行各類操做時，內核分配這個指針做爲它實現文件打開，讀，寫等功能的一部分。filp->f_op 其值從未被內核保存做爲下次的引用，即你能夠改變與文件相關的各類操做，這種方式效率很是高。

    file_operation 結構體解析以下：Linux字符設備驅動file_operations

五、 void *private_data;

      在驅動調用open方法以前，open系統調用設置此指針爲NULL值。你能夠很自由的將其作爲你本身須要的一些數據域或者無論它，如，你能夠將其指向一個分配好的數據，可是你必須記得在file struct被內核銷燬以前在release方法中釋放這些數據的內存空間。private_data用於在系統調用期間保存各類狀態信息是很是有用的。

3、chardevs 數組

     前面對用戶層open()的分析提到，經過數據結構 struct inode{...} 中的 i_cdev 成員能夠找到cdev，而全部的字符設備都在 chrdevs 數組中，chrdevs具體是什麼樣的呢

下面先看一下 chrdevs 的定義： 

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255  
static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock);

static struct char_device_struct {  
　　struct char_device_struct *next; // 結構體指針  
　　unsigned int major;              // 主設備號  
　　unsigned int baseminor;          // 次設備起始號  
　　int minorct;                     // 次備號個數  
　　char name[64];  
　　struct cdev *cdev; /* will die */  
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];// 只能掛255個字符主設備<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; rgb(255, 255, 255);">  </span> 

         能夠看到全局數組 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)個 struct char_device_struct的元素，每個對應一個相應的主設備號。

       若是分配了一個設備號,就會建立一個 struct char_device_struct 的對象,並將其添加到 chrdevs 中；這樣,經過chrdevs數組,咱們就能夠知道分配了哪些設備號。

相關函數，（這些函數在上篇已經介紹過，如今回顧一下：

　　register_chrdev_region( ) 分配指定的設備號範圍

　　alloc_chrdev_region( ) 動態分配設備範圍

他們都主要是經過調用函數 __register_chrdev_region() 來實現的；要注意,這兩個函數僅僅是註冊設備號!若是要和cdev關聯起來,還要調用cdev_add()。

　　register_chrdev( )申請指定的設備號,而且將其註冊到字符設備驅動模型中.

　　它所作的事情爲:

1. 註冊設備號, 經過調用 __register_chrdev_region() 來實現
2. 分配一個cdev, 經過調用 cdev_alloc() 來實現
3. 將cdev添加到驅動模型中, 這一步將設備號和驅動關聯了起來. 經過調用 cdev_add() 來實現
4. 將第一步中建立的 struct char_device_struct 對象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 因爲register_chrdev()是老的接口,這一步在新的接口中並不須要。

4、cdev 結構體

        Linux內核中，使用 struct cdev 來描述一個字符設備

5、文件系統中對字符設備文件的訪問

        下面看一下上層應用open() 調用系統調用函數的過程

        對於一個字符設備文件, 其inode->i_cdev 指向字符驅動對象cdev, 若是i_cdev爲 NULL ,則說明該設備文件沒有被打開.

　　因爲多個設備能夠共用同一個驅動程序.因此,經過字符設備的inode 中的i_devices 和 cdev中的list組成一個鏈表

首先,系統調用open打開一個字符設備的時候, 經過一系列調用,最終會執行到 chrdev_open

　　(最終是經過調用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 這一系列的調用過程,本文暫不討論)

　　int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)

chrdev_open()所作的事情能夠歸納以下:

　　1. 根據設備號(inode->i_rdev), 在字符設備驅動模型中查找對應的驅動程序, 這經過kobj_lookup() 來實現, kobj_lookup()會返回對應驅動程序cdev的kobject.

　　2. 設置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.

　　3. 將inode添加到cdev->list 的鏈表中.

　　4. 使用cdev的ops 設置file對象的f_op

　　5. 若是ops中定義了open方法,則調用該open方法

　　6. 返回

執行完 chrdev_open()以後,file對象的f_op指向cdev的ops,於是以後對設備進行的read, write等操做,就會執行cdev的相應操做。

 

獲得進程號：
asm/current.h
linux/sched.h
#define current get_current()

獲得進程號：current->pid獲得進程名：current->comm