Linux中的File_operations結構體

Linux中的File_operations結構體
File_operations結構體

       file_operation就是把系統調用和驅動程序關聯起來的關鍵數據結構。這個結構的每一個成員都對應着一個系統調用。讀取file_operation中相應的函數指針，接着把控制權轉交給函數，從而完成了Linux設備驅動程序的工作。

    在系統內部，I/O設備的存取操作通過特定的入口點來進行，而這組特定的入口點恰恰是由設備驅動程序提供的。通常這組設備驅動程序接口是由結構file_operations結構體向系統說明的，它定義在include/linux/fs.h中。

傳統上, 一個 file_operation 結構或者其一個指針稱爲 fops( 或者它的一些變體). 結構中的每個成員必須指向驅動中的函數, 這些函數實現一個特別的操作, 或者對於不支持的操作留置爲 NULL. 當指定爲 NULL 指針時內核的確切的行爲是每個函數不同的。

在你通讀 file_operations 方法的列表時, 你會注意到不少參數包含字串 __user. 這種註解是一種文檔形式, 注意, 一個指針是一個不能被直接解引用的用戶空間地址. 對於正常的編譯, __user 沒有效果, 但是它可被外部檢查軟件使用來找出對用戶空間地址的錯誤使用。

註冊設備編號僅僅是驅動代碼必須進行的諸多任務中的第一個。首先需要涉及一個別的，大部分的基礎性的驅動操作包括 3 個重要的內核數據結構，稱爲 file_operations，file，和 inode。需要對這些結構的基本瞭解才能夠做大量感興趣的事情。

    struct file_operations是一個字符設備把驅動的操作和設備號聯繫在一起的紐帶，是一系列指針的集合，每個被打開的文件都對應於一系列的操作，這就是file_operations,用來執行一系列的系統調用。
    struct file代表一個打開的文件，在執行file_operation中的open操作時被創建，這裏需要注意的是與用戶空間inode指針的區別，一個在內核，而file指針在用戶空間，由c庫來定義。
    struct inode被內核用來代表一個文件，注意和struct file的區別，struct inode一個是代表文件，struct file一個是代表打開的文件
struct inode包括很重要的二個成員：
dev_t       i_rdev   設備文件的設備號
struct cdev *i_cdev 代表字符設備的數據結構
struct inode結構是用來在內核內部表示文件的.同一個文件可以被打開好多次,所以可以對應很多struct file,但是隻對應一個struct inode.

File_operations的數據結構如下：

struct module *owner

第一個 file_operations 成員根本不是一個操作; 它是一個指向擁有這個結構的模塊的指針. 這個成員用來在它的操作還在被使用時阻止模塊被卸載. 幾乎所有時間中, 它被簡單初始化爲 THIS_MODULE, 一個在 <linux/module.h> 中定義的宏.

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

llseek 方法用作改變文件中的當前讀/寫位置, 並且新位置作爲(正的)返回值. loff_t 參數是一個"long offset", 並且就算在 32位平臺上也至少 64 位寬. 錯誤由一個負返回值指示. 如果這個函數指針是 NULL, seek 調用會以潛在地無法預知的方式修改 file 結構中的位置計數器( 在"file 結構" 一節中描述).

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

用來從設備中獲取數據. 在這個位置的一個空指針導致 read 系統調用以 -EINVAL("Invalid argument") 失敗. 一個非負返回值代表了成功讀取的字節數( 返回值是一個 "signed size" 類型, 常常是目標平臺本地的整數類型).

ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);

初始化一個異步讀 -- 可能在函數返回前不結束的讀操作. 如果這個方法是 NULL, 所有的操作會由 read 代替進行(同步地).

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

發送數據給設備. 如果 NULL, -EINVAL 返回給調用 write 系統調用的程序. 如果非負, 返回值代表成功寫的字節數.

ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t *);

初始化設備上的一個異步寫.

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

對於設備文件這個成員應當爲 NULL; 它用來讀取目錄, 並且僅對文件系統有用.

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

poll 方法是 3 個系統調用的後端: poll, epoll, 和 select, 都用作查詢對一個或多個文件描述符的讀或寫是否會阻塞. poll 方法應當返回一個位掩碼指示是否非阻塞的讀或寫是可能的, 並且, 可能地, 提供給內核信息用來使調用進程睡眠直到 I/O 變爲可能. 如果一個驅動的 poll 方法爲 NULL, 設備假定爲不阻塞地可讀可寫.

int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

ioctl 系統調用提供了發出設備特定命令的方法(例如格式化軟盤的一個磁道, 這不是讀也不是寫). 另外, 幾個 ioctl 命令被內核識別而不必引用 fops 表. 如果設備不提供 ioctl 方法, 對於任何未事先定義的請求(-ENOTTY, "設備無這樣的 ioctl"), 系統調用返回一個錯誤.

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

mmap 用來請求將設備內存映射到進程的地址空間. 如果這個方法是 NULL, mmap 系統調用返回 -ENODEV.

int (*open) (struct inode *, struct file *);

儘管這常常是對設備文件進行的第一個操作, 不要求驅動聲明一個對應的方法. 如果這個項是 NULL, 設備打開一直成功, 但是你的驅動不會得到通知.

int (*flush) (struct file *);

flush 操作在進程關閉它的設備文件描述符的拷貝時調用; 它應當執行(並且等待)設備的任何未完成的操作. 這個必須不要和用戶查詢請求的 fsync 操作混淆了. 當前, flush 在很少驅動中使用; SCSI 磁帶驅動使用它, 例如, 爲確保所有寫的數據在設備關閉前寫到磁帶上. 如果 flush 爲 NULL, 內核簡單地忽略用戶應用程序的請求.

int (*release) (struct inode *, struct file *);

在文件結構被釋放時引用這個操作. 如同 open, release 可以爲 NULL.

int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);

這個方法是 fsync 系統調用的後端, 用戶調用來刷新任何掛着的數據. 如果這個指針是 NULL, 系統調用返回 -EINVAL.

int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int);

這是 fsync 方法的異步版本.

int (*fasync) (int, struct file *, int);

這個操作用來通知設備它的 FASYNC 標誌的改變. 異步通知是一個高級的主題, 在第 6 章中描述. 這個成員可以是NULL 如果驅動不支持異步通知.

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

lock 方法用來實現文件加鎖; 加鎖對常規文件是必不可少的特性, 但是設備驅動幾乎從不實現它.

ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

這些方法實現發散/匯聚讀和寫操作. 應用程序偶爾需要做一個包含多個內存區的單個讀或寫操作; 這些系統調用允許它們這樣做而不必對數據進行額外拷貝. 如果這些函數指針爲 NULL, read 和 write 方法被調用( 可能多於一次 ).

ssize_t (*sendfile)(struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);

這個方法實現 sendfile 系統調用的讀, 使用最少的拷貝從一個文件描述符搬移數據到另一個. 例如, 它被一個需要發送文件內容到一個網絡連接的 web 服務器使用. 設備驅動常常使 sendfile 爲 NULL.

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

sendpage 是 sendfile 的另一半; 它由內核調用來發送數據, 一次一頁, 到對應的文件. 設備驅動實際上不實現 sendpage.

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

這個方法的目的是在進程的地址空間找一個合適的位置來映射在底層設備上的內存段中. 這個任務通常由內存管理代碼進行; 這個方法存在爲了使驅動能強制特殊設備可能有的任何的對齊請求. 大部分驅動可以置這個方法爲 NULL.

int (*check_flags)(int)

這個方法允許模塊檢查傳遞給 fnctl(F_SETFL...) 調用的標誌.

int (*dir_notify)(struct file *, unsigned long);

這個方法在應用程序使用 fcntl 來請求目錄改變通知時調用. 只對文件系統有用; 驅動不需要實現 dir_notify.

scull 設備驅動只實現最重要的設備方法. 它的 file_operations 結構是如下初始化的:

struct file_operations scull_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.llseek = scull_llseek,

.read = scull_read,

.write = scull_write,

.ioctl = scull_ioctl,

.open = scull_open,

.release = scull_release,

};

這個聲明使用標準的C標記式結構初始化語法. 這個語法是首選的, 因爲它使驅動在結構定義的改變之間更加可移植, 並且, 有爭議地, 使代碼更加緊湊和可讀. 標記式初始化允許結構成員重新排序; 在某種情況下, 真實的性能提高已經實現, 通過安放經常使用的成員的指針在相同硬件高速存儲行中.

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