字符設備驅動程序中重要的三個數據結構file_operations、inode、file

字符設備驅動程序中重要的三個數據結構file_operations、inode、file

在學習字符設備驅動的開始，咱們必須瞭解的是三個很重要的數據結構，他們分別是file_operations、inode、file。下面陶毛毛同窗就和你們一塊兒來學習這三個數據結構。

struct _file_operations在Fs.h這個文件裏面被定義的，以下所示：

struct file_operations { 
    struct module *owner;//擁有該結構的模塊的指針，通常爲THIS_MODULES 
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//用來修改文件當前的讀寫位置 
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//從設備中同步讀取數據 
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//向設備發送數據

    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一個異步的讀取操做 
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一個異步的寫入操做 
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);//僅用於讀取目錄，對於設備文件，該字段爲NULL 
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); //輪詢函數，判斷目前是否能夠進行非阻塞的讀寫或寫入 
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); //執行設備I/O控制命令 
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //不使用BLK文件系統，將使用此種函數指針代替ioctl 
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //在64位系統上，32位的ioctl調用將使用此函數指針代替 
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); //用於請求將設備內存映射到進程地址空間 
    int (*open) (struct inode *, struct file *); //打開 
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); 
    int (*release) (struct inode *, struct file *); //關閉 
    int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); //刷新待處理的數據 
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); //異步刷新待處理的數據 
    int (*fasync) (int, struct file *, int); //通知設備FASYNC標誌發生變化 
    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 **); 
};

Linux使用file_operations結構訪問驅動程序的函數，這個結構的每個成員的名字都對應着一個調用。用戶進程利用在對設備文件進行諸如read/write操做的時候，系統調用經過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，而後讀取這個數據結構相應的函數指針，接着把控制權交給該函數，這是Linux的設備驅動程序工做的基本原理。

下面是struct inode結構體。

struct inode { 
struct hlist_node   i_hash; //哈希表 
struct list_head   i_list;      //索引節點鏈表 
struct list_head   i_sb_list;//目錄項鍊表 
struct list_head   i_dentry; 
unsigned long       i_ino;     //節點號 
atomic_t       i_count;          //引用記數 
unsigned int       i_nlink;    //硬連接數 
uid_t           i_uid;                /*使用者id */ 
gid_t           i_gid;                 /*使用者id組*/ 
dev_t           i_rdev;             //該成員表示設備文件的inode結構，它包含了真正的設備編號。 
u64             i_version; 
loff_t           i_size;              /*inode多表明的文件的大小*/ 
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED 
seqcount_t       i_size_seqcount; 
#endif 
struct timespec       i_atime;        /*inode最後一次存取的時間*/ 
struct timespec       i_mtime;       /*inode最後一次修改的時間*/ 
struct timespec       i_ctime;       /*inode的建立時間*/ 
unsigned int       i_blkbits;          /*inode在作I/O時的區塊大小*/ 
blkcnt_t       i_blocks;                 /*inode所石油的block塊數*/ 
unsigned short          i_bytes; 
umode_t           i_mode;    /*inode的權限*/ 
spinlock_t       i_lock;   /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */ 
struct mutex       i_mutex; 
struct rw_semaphore   i_alloc_sem; 
const struct inode_operations   *i_op; 
const struct file_operations   *i_fop;   /* former ->i_op->default_file_ops */ 
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;    /*如果字符設備，爲其對應的cdev結構體指針*/ 
union { 
struct pipe_inode_info   *i_pipe; 
struct block_device   *i_bdev;     /*如果塊設備，爲其對應的cdev結構體指針*/ 
struct cdev       *i_cdev; //該成員表示字符設備的內核的 內部結構。當inode指向一個字符設備文件時，該成員包含了指向struct cdev結構的指針，其中cdev結構是字符設備結構體。 
}; 
int           i_cindex; 
__u32           i_generation; 
#ifdef CONFIG_DNOTIFY 
unsigned long       i_dnotify_mask; /* Directory notify events */ 
struct dnotify_struct   *i_dnotify; /* for directory notifications */ 
#endif 
#ifdef CONFIG_INOTIFY 
struct list_head   inotify_watches; /* watches on this inode */ 
struct mutex       inotify_mutex;   /* protects the watches list */ 
#endif 
unsigned long       i_state; 
unsigned long       dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */ 
unsigned int       i_flags; 
atomic_t       i_writecount; 
#ifdef CONFIG_SECURITY 
void           *i_security; 
#endif 
void           *i_private; /* fs or device private pointer */ 
};

內核中用inode結構表示具體的文件，也就是對應與硬盤上面具體的文件。提供了設備文件的信息。inode譯成中文就是索引節點。每一個存儲設備或存儲設備的分區（存儲設備是硬盤、軟盤、U盤 ... ... ）被格式化爲文件系統後，應該有兩部份，一部份是inode，另外一部份是Block，Block是用來存儲數據用的。而inode呢，就是用來存儲這些數據的信息，這些信息包括文件大小、屬主、歸屬的用戶組、讀寫權限等。inode爲每一個文件進行信息索引，因此就有了inode的數值。操做系統根據指令，能經過inode值最快的找到相對應的文件。

最後是struct file。

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 path        f_path; 
#define f_dentry    f_path.dentry   //該成員是對應的 目錄結構 。 
#define f_vfsmnt    f_path.mnt 
const struct file_operations    *f_op; //該操做 是定義文件關聯的操做的。內核在執行open時對這個指針賦值。 
atomic_long_t        f_count;//文件的引用計數（有多少進程打開該文件） 
unsigned int           f_flags; //該成員是文件標誌。 
mode_t            f_mode;//讀寫模式：open的mod_t mode參數 
loff_t               f_pos;//該文件在當前進程中的文件偏移量 
struct fown_struct    f_owner;//該結構的做用是經過信號進行I/O時間通知的數據 
unsigned int              f_uid, f_gid;//文件全部者id，全部者組id 
struct file_ra_state  f_ra;

u64            f_version; 
#ifdef CONFIG_SECURITY 
void            *f_security; 
#endif 
/* needed for tty driver, and maybe others */ 
void            *private_data;//該成員是系統調用時保存狀態信息很是有用的資源。

#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; 
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT 
unsigned long f_mnt_write_state; 
#endif 
};

文件結構表明一個打開的文件描述符，它不是專門給驅動程序使用的，系統中每個打開的文件在內核中都有一個關聯的struct file。它由內核在open時建立，並傳遞給在文件上操做的任何函數，知道最後關閉。當文件的全部實例都關閉以後，內核釋放這個數據結構。

最後：總結一下，struct operations存在於設備驅動程序內部，起着聯繫應用程序和設備驅動的做用。struct inode存在於磁盤上，做爲描述設備驅動文件的信息的做用。struct file是在執行open函數時產生的，每打開一個文件就產生一個struct file，供設備驅動關聯的函數使用。