3. fileinode结构体及chardevs数组等相关知识解析

Posted 2020-11-21 ocean-star

https://blog.csdn.net/zqixiao_09/article/details/50850004
下图描述了linux中虚拟文件系统，一般的设备文件与设备驱动程序间的函数调用关系

上图展现了一个应用程序调用字符设备驱动的过程，在设备驱动程序的设计中，一般而言，会关心 file 和 inode 这两个结构体
用户空间使用 open() 函数打开一个字符设备 fd = open("/dev/hello",O_RDWR) , 这一函数会调用两个数据结构 struct inode{...}与struct file{...} ，二者均在虚拟文件系统VFS处，下面对两个数据结构进行解析：

1、file文件结构体
（1）在设备驱动中，这是非常重要的数据结构
（2）这里的file与用户空间出现中的FILE指针式不同的，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，确是内核中的数据结构，因此，它也不会出现在用户层程序中。
（3）file结构体指示一个已经打开的文件（设备对应设备文件），其实系统中每个打开的文件在内核空间都有一个相应的struct file结构体，它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进程操作的任何函数，直至文件被关闭。如果文件被关闭，内核就会释放相应的数据结构。
（4）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。

下面是几个重要成员
a -- 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octl等操作时内核本身就需要对其权限进行检测。
b -- 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。
c -- 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中
d -- 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。

e -- 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。

2、inode结构体
VFS inode包含文件访问权限，属主，组，大小，生成时间，访问时间，最后修改时间等信息。它是linux管理文件系统中的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录，文件的桥梁
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。

1. struct inode {
   
2. struct hlist_node i_hash;
   
3. struct list_head i_list;
   
4. struct list_head i_sb_list;
   
5. struct list_head i_dentry;
   
6. unsigned long i_ino;
   
7. atomic_t i_count;
   
8. unsigned int i_nlink;
   
9. uid_t i_uid;//inode拥有者id
   
10. gid_t i_gid;//inode所属群组id
    
11. dev_t i_rdev;//若是设备文件，表示记录设备的设备号
    
12. u64 i_version;
    
13. loff_t i_size;//inode所代表大少
    
14. #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
    
15. seqcount_t i_size_seqcount;
    

16. endif

17. struct timespec i_atime;//inode最近一次的存取时间
    
18. struct timespec i_mtime;//inode最近一次修改时间
    
19. struct timespec i_ctime;//inode的生成时间
    
20. unsigned int i_blkbits;
    
21. blkcnt_t i_blocks;
    
22. unsigned short i_bytes;
    
23. umode_t i_mode;
    
24. spinlock_t i_lock;
    
25. struct mutex i_mutex;
    
26. struct rw_semaphore i_alloc_sem;
    
27. const struct inode_operations *i_op;
    
28. const struct file_operations *i_fop;
    
29. struct super_block *i_sb;
    
30. struct file_lock *i_flock;
    
31. struct address_space *i_mapping;
    
32. struct address_space i_data;
    

33. ifdef CONFIG_QUOTA

34. struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];
    

35. endif

36. struct list_head i_devices;
    
37. union {
    
38. struct pipe_inode_info *i_pipe;
    
39. struct block_device *i_bdev;
    
40. struct cdev *i_cdev;//若是字符设备，对应的为cdev结构体
    
41. };

3、chardevs 数组
从图中可以看出，通过数据结构 struct inode{...} 中的 i_cdev 成员可以找到cdev，而所有的字符设备都在 chrdevs 数组中

1. define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255

2. static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock);
   
4. static struct char_device_struct {
   
5. struct char_device_struct *next; // 结构体指针
   
6. unsigned int major; // 主设备号
   
7. unsigned int baseminor; // 次设备起始号
   
8. int minorct; // 次备号个数
   
9. char name[64];
   

10. struct cdev *cdev; /* will die */  

11. } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE]; // 只能挂255个字符主设备
    可以看到全局数组 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)个 struct char_device_struct的元素，每一个对应一个相应的主设备号。
    如果分配了一个设备号,就会创建一个 struct char_device_struct 的对象,并将其添加到 chrdevs 中；这样,通过chrdevs数组,我们就可以知道分配了哪些设备号。
    

相关函数，（这些函数在上篇已经介绍过，现在回顾一下：
register_chrdev_region分配指定的设备号范围
alloc_chrdev_region动态分配失败范围
它们都主要通过调用__register_chrdev_region实现；注意，这两个函数仅仅是注册设备号。如果要将设备号和cdev(用来表示字符设备)关联起来，还要调用cdev_add
register_chrdev申请指定的设备号，并且将其注册到字符设备驱动模型中。
它所做的事情为:
a -- 注册设备号, 通过调用 __register_chrdev_region() 来实现
b -- 分配一个cdev, 通过调用 cdev_alloc() 来实现
c -- 将cdev添加到驱动模型中, 这一步将设备号和驱动关联了起来. 通过调用 cdev_add() 来实现
d -- 将第一步中创建的 struct char_device_struct 对象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由于register_chrdev()是老的接口,这一步在新的接口中并不需要。

4、cdev 结构体
在 Linux 字符设备驱动开发 字符设备驱动结构 有解析。

5、文件系统中对字符设备文件的访问

下面看一下上层应用open() 调用系统调用函数的过程。
对于一个字符设备文件，其inode.i_cdev指向字符设备驱动对象cdev，如果i_cdev为Null，说明该设备文件没有被打开
由于多个设备可以共用同一个驱动程序.所以,通过字符设备的inode 中的i_devices 和 cdev中的list组成一个链表.

首先,系统调用open打开一个字符设备的时候, 通过一系列调用,最终会执行到 chrdev_open
　　(最终是通过调用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 这一系列的调用过程,本文暂不讨论)
　　int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
chrdev_open()所做的事情可以概括如下:
　　1. 根据设备号(inode->i_rdev), 在字符设备驱动模型中查找对应的驱动程序, 这通过kobj_lookup() 来实现, kobj_lookup()会返回对应驱动程序cdev的kobject.
　　2. 设置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.
　　3. 将inode添加到cdev->list 的链表中.
　　4. 使用cdev的ops 设置file对象的f_op
　　5. 如果ops中定义了open方法,则调用该open方法
　　6. 返回执行完 chrdev_open()之后,file对象的f_op指向cdev的ops,因而之后对设备进行的read, write等操作,就会执行cdev的相应操作。