在网上看到的,讲的不错,遂转载过来。原文地址:http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-59418.html
一、结构体struct file和struct inode
在之前写的函数,全部是定义了一些零散的全局变量。有没有办法整合成到一个结构体当中?这样的话,看起来和用起来都比较方便。接下来就要说这方面的问题。
不过先要介绍一下除了fops以外的两个比较重要的结构体:
1)struct file
在内核中,file结构体是用来维护打开的文件的。每打开一次文件,内核空间里就会多增加一个file来维护,当文件关闭是释放。
所以,在内核中可以存在同一个文件的多个file,因为该文件被应用程序打开被打
开。
在struct file中有几个重要的成员:
1)loff_t f_pos;
这是用来记录文件的偏移量。在应用程序中,打开文件时偏移量为0,每次的读写操作都会使偏移量增加。
从这个原因可以看出为什么每打开一次文件就新建一个file结构体了。不然的话,每个打开文件的读写操作都修改同一个偏移量,那读写岂不是乱套了吗?
2)void *private_data;
这是空类型的指针可以用于存放任何数据,我会用这个指针来存放待会要定义的结构体指针。
回想一下,文件操作结构体fops中所有的函数成员里面都有一个参数是file结构体,所以每个函数都可以在file->private_data中拿到我自己定义的结构体了。
3)struct file_operations *fops;
打开文件后,内核会把fops存放在这里,以后的操作就在这里找函数了。
2)struct inode
这个结构体是用来保存一个文件的基本信息的结构体,即使打开多个相同的文件,也只会有一个对应的inode。
它也有两个常用的成员:
1)dev_t i_rdev;
这里存放着这个文件的设备号。
2)struct cdev *i_cdev;
这个结构体很熟悉吧,这就是注册设备时用的cdev就存在这。这个结构体的用处现在我还不好说,待会看程序就知道了。
二、面向对象的思想
接下来就封装一下之前程序的数据类型吧:
struct _test_t{ char kbuf[DEV_SIZE]; //这里存放数据 unsigned int major; //这里存放主设备号 unsigned int minor; //这里存放次设备号 unsigned int cur_size; //这里存放当前的kbuf的大小 dev_t devno; //这里存放设备号 struct cdev test_cdev; //这里存放cdev结构体 };
定义了这样的一个结构体后,在操作函数中怎么拿到这个结构体的指针呢?
先来个函数:
#define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) 使用: 已知一个结构体里面一个成员的指针ptr,同时,这个成员也是另外一个结构体类型中的一个成员,这个结构体的类型是type,而这个成员以member这个名字命名。就可以通过这个函数找到指向类型是type的结构体的指针。 返回值: 返回值就是指向type结构体类型的数据的指针。
如:现在定义这样的两个结构体:
struct A { int *techbulo_a; }; struct B { int techbulo_b; }; struct A a; 在遥远的另一处有这样的定义:struct B b; 并且,a.techbulo_a = &b.techbulo_b; 这样,在不知道b只知道a的情况下也可以找到b的位置: struct B *bb = container_of(a.techbulo_a, struct B, techbulo_b);
估计被上面的解释说晕了吧。我还是举个例比较方便:
虽然一个函数不值得说这么久,但是我觉得这种思想很不错,内核中很多时候都用到这个函数,如在内核链表中。
来个邪恶的例子名字——老板与小秘:
老板他请了个年轻的小秘,他就跟客户说:“我电话号码经常换,你记着我小秘的电话,想找我嘛,找我小秘就可以了!”
于是,客户想找老板了,就打通小秘的电话,说:“我知道你是秘书小红,我想找你老板小黑,麻烦给他的电话号码我。”
这样,客户就拿到了老板最新的电话号码了。
想象老板和客户是个结构体,秘书和他的电话号码是个各自成员,电话号码想象成指针:
老板的电话 = container_of(秘书的电话, 老板,小秘)
说了半天还没进入正题,这个函数用在哪里呢?谁当小秘呢?
就是那个说了半天都不知道能做什么还经常出现的struct cdev!
而我把cdev添加到了我自己建的结构体struct _test_t中,所哟struct _test_t就是老板!
而struct inode就是客户了,因为它的成员里面有小秘的电话号码:struct cdev *i_cdev;
所以,如果想得到_test_t,只要调用这个函数就行了。
下面看一下改良后的open函数
int test_open(struct inode *node, struct file *filp) { struct _test_t *dev; dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev); filp->private_data = dev; return 0; }
上面还有一句,将获得的结构体指针存放到filp的private_data中。
这是因为,struct file_operations中的每个函数的第一个参数就是struct file,只要有file,每个函数都可以从private_data中得到数据了。相反,struct inode这个参数并不是file_operations中所有的函数都有。
下面贴上部分代码:1st/test.c
struct _test_t{ char kbuf[DEV_SIZE]; unsigned int major; unsigned int minor; unsigned int cur_size; dev_t devno; struct cdev test_cdev; }; int test_open(struct inode *node, struct file *filp) {/*open操作需要给把拿到的结构体指针赋值给private_data*/ struct _test_t *dev; dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev); filp->private_data = dev; return 0; } int test_close(struct inode *node, struct file *filp) { return 0; } ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { int ret; struct _test_t *dev = filp->private_data; if(!dev->cur_size){ return 0; } if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){ ret = - EFAULT; }else{/*read函数成功读取后要修改cur_size*/ ret = count; dev->cur_size -= count; } P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size); return ret; } ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { int ret; struct _test_t *dev = filp->private_data; if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){ ret = - EFAULT; }else{/*write函数成功写入后也要修改cur_size*/ ret = count; dev->cur_size += count; P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf); P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size); } return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 }
上面的程序其实就多了比上一个程序多了三步:
1)封装了一个结构体。
2)open函数要获得结构体并存放到private_data中。
3)read和write函数成功后要更新cur_size这个值。
这样,一个像样点的程序出来了,写个应用程序验证一下:
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(void) { char buf[20]; int fd; fd = open("/dev/test", O_RDWR); if(fd < 0) { perror("open"); return -1; } read(fd, buf, 10); printf("<app>buf is [%s]\n", buf); write(fd, "techbulo", 8); read(fd, buf, 8); printf("<app>buf is [%s]\n", buf); close(fd); return 0; }
运行一下:
[root: 1st]# insmod test.ko major[253] minor[0] hello kernel [root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0 [root: 1st]# ./app <app>buf is [] //第一次读取时cur_size==0,没数据就会返回 <kernel>[test_write]kbuf is [techbulo] //成功写入 <kernel>[test_write]cur_size:[8] //更新cur_size <kernel>[test_read]cur_size:[0] //read读取成功,跟新cur_size <app>buf is [techbulo] //应用程序返回读到的内容 [root: 1st]#
三、read、write的改进
上面的函数还是不完善的,想象一下,平时的read、write函数会增加偏移量,但上面的函数是不会的。这是因为还有一个参数我没用上,就是"loff_t offset"。
"loff_t offset"这个参数是内核在调用函数时,从"struct file"的成员"f_ops"拿到指针并当作参数传入。这样的做法让用户不用再从"struct file"提取成员,直接拿参数用就行了!
通过这个参数,我们就可以改进并且实现三个函数:
1test_read:当应用程序调用read时内核会调用test_read。读取数据的同时,偏移量会增加。
2test_write:当应用程序调用write时内核会调用test_write。写入数据的同时,偏移量也会增加。
3test_llseek:这是跟应用程序的lseek对应的,用来修改偏移量的位置。
有了上面的三个函数的功能,这样才算是个像样的函数!
先改进一下read、write函数
ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { int ret; struct _test_t *dev = filp->private_data; if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0,表示读取0个数据成功 } //count不为0则分会错误号,地址越界 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。 } /*copy_to_user的参数也要改一下*/ if (copy_to_user(buf, dev->kbuf + *offset, count)){ ret = - EFAULT; }else{ ret = count; dev->cur_size -= count; //读取后数组的字节数减少 *offset += count; //偏移量增加 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size); } return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 } ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { int ret; struct _test_t *dev = filp->private_data; /*copy_from_user的参数也要改一下*/ if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0,表示读取0个数据成功 } //count不为0则分会错误号,地址越界 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。 } if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){ ret = - EFAULT; }else{ ret = count; dev->cur_size += count; //写入后数组的字节数增加 *offset += count; //偏移量增加 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size); P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf); } return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 }
话说得好,越是需要检测出错,代码就会几何级增加,如果不想看这么多代码,把这两个函数前面的两个if(45-50、69-74)都删掉!反正写应用程序的时候小心翼翼一点就好了。这个程序只是为了验证"offset"的作用。
再来个小心翼翼的应用程序:
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(void) { char buf[20]; int fd; fd = open("/dev/test", O_RDWR); if(fd < 0) { perror("open"); return -1; } write(fd, "techbulo", 8); read(fd, buf, 8); printf("<app>buf is [%s]\n", buf); close(fd); return 0; }
验证一下:
[root: 2nd]# insmod test.ko major[253] minor[0] hello kernel [root: 2nd]# mknod /dev/test c 253 0 [root: 2nd]# ./app <kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]//写入 <kernel>[test_write]kbuf is [techbulo] <kernel>[test_read]read 8 bytes, cur_size:[0]//但读不出,因为偏移量增加 <app>buf is []
上面的read函数根本读不出数据,这是因为偏移量增加了。这个时候需要一个函数来把偏移量移到开头,lseek函数就用上场了。下面就讲一下。
四、lseek函数的实现
应用层的函数lseek函数对应驱动的函数是llseek(为什么多了一个l我也想不懂)。
内核驱动:loff_t (*llseek) (struct file * filp, loff_t offset, int whence); 对应应用层:off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence); 使用: 一看参数就知道,这两个函数的第二和第三个参数就是对应的,当应用层调用函数时,对应的参数就会让内核传给驱动的函数llseek。 参数: offset:一看这个参数不是指针,就知道和read、write的参数不一样。这是应用层传来的参数,并不是"struct file"的偏移量"f_ops"。 whence:这个也跟应用层的参数一样,指定从哪个位置开始偏移。 从开头位置:#define SEEK_SET 0 从当前位置:#define SEEK_CUR 1 从文件末端:#define SEEK_END 2 返回值:成功返回当前的更新的偏移量,失败返回错误号,而应用层会返回-1。
下面来个程序:/3rd_char/3rd_char_3/3rd/test.c
/*test_llseek*/ loff_t test_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence) { loff_t new_pos; //新偏移量 loff_t old_pos = filp->f_pos; //旧偏移量 switch(whence){ case SEEK_SET: new_pos = offset; break; case SEEK_CUR: new_pos = old_pos + offset; break; case SEEK_END: new_pos = DEV_SIZE + offset; break; default: P_DEBUG("unknow whence\n"); return - EINVAL; } if(new_pos < 0 || new_pos > DEV_SIZE){ //如果偏移量越界,返回错误号 P_DEBUG("f_pos failed\n"); return - EINVAL; } filp->f_pos = new_pos; return new_pos; //正确返回新的偏移量 }
再来个应用程序:/3rd_char/3rd_char_3/3rd/app.c
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(void) { char buf[20]; int fd; int ret; fd = open("/dev/test", O_RDWR); if(fd < 0) { perror("open"); return -1; } write(fd, "techbulo", 8); /*让偏移量移至开头,这样才能读取数据*/ ret = lseek(fd, 0, SEEK_SET); read(fd, buf, 10); printf("<app>buf is [%s]\n", buf); close(fd); return 0; }
验证一下:
[root: 2nd]# ./app <kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8] <kernel>[test_write]kbuf is [techbulo] <kernel>[test_read]read 8 bytes, cur_size:[0] //读到数据了! <app>buf is [techbulo] //读到数据了!
五、总结
拉风的时序图我就不画了。
上面讲的东西不多:
1)container_of的使用
2)怎么使用偏移量"filp->f_ops"。
3)llseek的编写。
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