Linux设备驱动程序 之 重要数据结构

文件对象

文件对象是进程已经打开文件描述符的内存中的表示，单个文件可能有多个表示打开文件描述符的file结构；

 struct file {
     union {
         struct llist_node    fu_llist; /* 文件对象链表 */
         struct rcu_head     fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */
     } f_u;
     /* 目录项 */
     struct path        f_path;
     /* inode */
     struct inode        *f_inode;    /* cached value */
     /* 文件操作 */
     const struct file_operations    *f_op;

     /*
      * Protects f_ep_links, f_flags.
      * Must not be taken from IRQ context.
      */
     /* 锁 */
     spinlock_t        f_lock;
     /* 引用计数 */
     atomic_long_t        f_count;
     /* 打开文件时所指定的标志 */
     unsigned int         f_flags;
     /* 文件访问模式 */
     fmode_t            f_mode;
     struct mutex        f_pos_lock;
     /* 文件当前偏移量 */
     loff_t            f_pos;
     /* 拥有者通过信号进行异步IO数据传送 */
     struct fown_struct    f_owner;
     /* 文件的信任状 */
     const struct cred    *f_cred;
     /* 预读状态 */
     struct file_ra_state    f_ra;
     /* 版本号 */
     u64            f_version;
 #ifdef CONFIG_SECURITY
     /* 安全模块 */
     void            *f_security;
 #endif
     /* needed for tty driver, and maybe others */
     /* tty设备驱动的钩子 */
     void            *private_data;

 #ifdef CONFIG_EPOLL
     /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
     /* 事件池链表 */
     struct list_head    f_ep_links;
     struct list_head    f_tfile_llink;
 #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
     /* 页缓存映射 */
     struct address_space    *f_mapping;
 } __attribute__((aligned()));    /* lest something weird decides that 2 is OK */

文件操作

file_operations提供了文件操作函数，这些函数与系统调用进行关联；

 /* 文件操作 */
 struct file_operations {
     /* 拥有该模块的指针，通常被初始化为THIS_MODULE */
     struct module *owner;
     /*
         用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为返回值，由系统调用lseek调用
         参数2是一个"长偏移量"；
         参数3是SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_END中的一个：
         SEEK_SET-参数2设置为新的读写位置
         SEEK_CUR-当前读写位置后增加参数2个偏移量
         SEEK_END-读写位置指向文件尾后再增加参数2个偏移量
     */
     loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
     /*
         从给定文件的offset偏移出读取count字节数据到buf中，
         同时更新文件指针，由系统调用read调用
     */
     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
     /*
         从给定buf中读取count字节数据，写入给定文件offset偏移处，
         同时更新文件指针，由系统调用write调用
     */
     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
     /* 同步异步读写 */
     ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
     ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

     int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
     int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
     /* 睡眠等待给定文件活动，由系统调用poll调用 */
     unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
     /*
         用来给设备发送名称参数对，当文件是一个被打开的设备节点时，
         可以通过它进行设置，由系统调用iotcl调用
     */
     long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
     /*
         是ioctl函数的可移植变种，被32位应用程序用在64位系统上，
         新的驱动程序应该设计自己的ioctl命令，以便所有的驱动程序都是可移植的，
         从而使得compat_ioctl和unlocked_ioctl指向同一个函数
     */
     long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
     /* 将给定的文件映射到指定地址空间行，由系统调用mmap调用 */
     int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
     /* 创建一个新的文件对象，并将它和响应的索引节点对象关联起来，由系统调用open调用 */
     int (*open) (struct inode *, struct file *);
     /* 当已打开文件的引用计数减少时，该函数被VFS调用，它的作用根据具体文件系统而定 */
     int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
     /*
         当文件最后一个引用被注销时(如当最后一个共享文件描述符进程调用了close()或者退出)，
         该函数被VFS调用，它的作用根据具体文件系统而定 

     */
     int (*release) (struct inode *, struct file *);
     /* 将给定文件的所有被缓存数据写回磁盘，由系统调用fsync调用 */
     int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
     /* 打开或者关闭异步IO的通告信号 */
     int (*fasync) (int, struct file *, int);
     /* 给指定文件上锁 */
     int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
     /* 用来从一个文件向另外一个文件发送数据 */
     ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
     /* 在进程和地址空间中找到一个合适的位置，以便将底层设备中的内存段映射到该位置 */
     unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
     /* 允许模块检查传递给fcntl(F_SETFL...)调用的标志 */
     int (*check_flags)(int);
     /* 实现flock()系统调用，该调用提供忠告锁 */
     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);
 };

inode对象

内核用inode结构在内部表示文件，因此它和file结构不同，后者表示打开的文件描述符。对单个文件，可能会有多个表示打开文件描述符的file结构，但它们都指向单个inode结构；

inode结构中包含了大量有关文件的信息。作为常规，只有下面两个字段对编写驱动程序代码有用

dev_t i_rdev：

对表示设备文件的inode结构，该字段包含了真正的设备编号；

struct cdev *i_cdev：

表示字符设备的内核的内部结构，当inode指向一个字符设备文件时，该字段包含了指向struct cdev结构的指针；

从inode中获取主设备号和次设备号，使用下面函数，不要直接操作i_rdev：

 static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)
 {
     return MINOR(inode->i_rdev);
 }

 static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
 {
     return MAJOR(inode->i_rdev);
 }