Linux 文件系統與驅動

之前做應用程序的開發，就知道Linux系統的一大特點就是一切皆文件，一直以來對所有設備的操作都是使用系統函數open read write close來實現的，就沒關心過系統裏面是怎麼實現對各種設備的區分和控制櫃，直到開始看Linux設備驅動方面的知識以後，感覺像發現了新大陸一樣的神奇，故把相關知識記錄下來，方便以後自己查找。

文件系統調用

文件的打開

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int falgs, mode_t mode);

open函數有兩個形式，其中第一個參數是需要打開的文件路徑及文件名（默認是當前路徑），flags是一下值的一個或者幾個的組合：

標誌(flag)	含義
O_RDONLY	只讀方式
O_WRONLY	只寫方式
O_RDWR	可讀可寫
O_APPEND	追加的方式
O_CREAT	創建一個文件
O_EXEC	如果使用了O_CREAT而且文件已經存在，就會發生一個錯誤
O_NOBLOCK	以非阻塞的方式
O_TRUNC	如果文件已經存在就刪除文件內容

O_RDONLY ，O_WRONLY ，O_RDWR這三個標誌位只能使用其中的一個
如果使用了O_CREAT標誌，那麼調用的函數需要指定第三個參數mode標誌，以表示文件的訪問權限：

標誌(flag)	含義
S_IRUSR	用戶可以讀
S_IWUSR	用戶可以寫
S_IXUSR	用戶可以執行
S_IRWXU	用戶可讀，可寫，可執行
S_IRGRP	組可讀
S_IWGRP	組可寫
S_IXGRP	組可執行
S_IRWXG	組可讀，可寫，可執行
S_IROTH	其他人可以讀
S_IWOTH	其他人可寫
S_IXOTH	其他人可執行
S_IRWXO	其他人可讀，可寫，可執行
S_ISUID	設置用戶執行ID
S_ISGID	設置組ID

除了通過以上宏第一或運算產生標誌位以外，可以自己用數字生產標誌位規則如下：

byte位	含義	備註
第一位 (byte 4)	設置用戶ID
第二位 (byte 3)	設置組ID
第三位 (byte 2)	用戶自己的權限	可取 1（可執行），2 （可寫），4（可讀），0（無）或者這些值的和
第四位 (byte 1)	組的權限
第五位 (byte 0)	其他人權限

open("test", O_CREAT, 10705);
open("test", O_CREAT, S_IRWXU | S_IROTH | S_IXOTH | S_ISUID);

上面兩個函數等價：當前路徑下創建一個用戶可讀可寫可執行，組沒有權限，其他人可讀可執行並設置用戶ID名爲test的文件

文件的讀寫

int read(int fd, const void *buf, size_t length);
int write(int fd, const void *buf, size_t length);

參數 fd 爲open函數返回的文件描述符，buf爲指向緩衝區的指針，length爲緩衝區大小；
read()從fd所指的文件裏面讀取length個字節到buf緩衝區，返回實際讀取到的字節數;
write()把length個字節從緩衝區buf中寫到fd指向的文件去，返回實際寫進去的字節數；

文件定位

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

將文件指針相對whence移動offset個字節，操作成功時返回文件指針相對於文件頭的位置，whence可以取：

• SEEK_SET：文件頭
• SEEK_CUR：當前位置
• SEEK_END：文件末尾

lseek(fd, 0, SEEK_END);返回的就是文件的長度
lseek(fd, -5 , SEEK_CUR);將文件指針相對當前位置向前移動5字節

文件關閉

int close(int fd);

文件系統與設備驅動

Linux應用程序和設置之間的關係如下圖所示：

應用程序通過系統調用，操作系統通過虛擬文件系統中的file_operations結構體去調用相應的設備驅動，file_operations結構體定義了一系列函數指針，相應的設備驅動實現這些函數，並把函數賦值給file_operations的函數指針，然後把驅動註冊到內核。file_operations結構體定義如下（include/linux/fs.h）：

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	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 **, 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);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

file_operations內核函數	用戶空間函數	備註
llseek()	lseek()	用來修改一個文件的當前讀寫位置，並將新位置返回，出錯時返回一個負數
read()	read() fread()	從設備中讀取數據，成功返回讀取的字節數，失敗返回負數，0暗示end-of-file
write()	write() fwrite()	向設備發送數據，成功返回發送的字節數，失敗返回負數，如果此函數未被實現，用戶調研write()以後講收到-EINVAL返回值
unlocked_ioctrl()	ioctrl() fcntl()	提供設備相關控制命令調用，成功返回非負值，失敗返回負數
mmap()	mmap()	幀緩衝被映射到用戶空間，應用程序可以直接訪問，不需要再內核空間和用戶空間進行內存複製，如果此函數未被實現，用戶調研mmap()以後講收到-EINVAL返回值
poll()	select() poll()	用於查詢設備是否可被非阻塞的進行讀寫，當查詢的調節未觸發時，用戶空間進行select() 和 poll()查詢系統調用時將引起進程的阻塞
aio_read() aio_write		對設備進行異步讀寫操作，當該函數實現以後，用戶空間可以對設備執行SYS_io_setup、SYS_io_submit、SYS_io_getevents、SYS_io_destory等系統調用進行讀寫