linux一些重要数据结构

如同你想象的, 注册设备编号仅仅是驱动代码必须进行的诸多任务中的第一个. 我们将很 快看到其他重要的驱动组件, 但首先需要涉及一个别的. 大部分的基础性的驱动操作包括 3 个重要的内核数据结构, 称为 file_operations, file, 和 inode. 需要对这些结构的 基本了解才能够做大量感兴趣的事情, 因此我们现在在进入如何实现基础性驱动操作的细 节之前, 会快速查看每一个.

3.3.1. 文件操作

init 脚本 scull.init 不在命令行中接受驱动选项, 但是它支持一个配置文件, 因为它被设计来在启动和关机时自

动使用.

到现在, 我们已经保留了一些设备编号给我们使用, 但是我们还没有连接任何我们设备操 作到这些编号上. file_operation 结构是一个字符驱动如何建立这个连接. 这个结构, 定 义在 <linux/fs.h>, 是一个函数指针的集合. 每个打开文件(内部用一个 file 结构来代 表, 稍后我们会查看)与它自身的函数集合相关连( 通过包含一个称为 f_op 的成员, 它指 向一个 file_operations 结构). 这些操作大部分负责实现系统调用, 因此, 命名为 open, read, 等等. 我们可以认为文件是一个"对象"并且其上的函数操作称为它的"方法", 使用 面向对象编程的术语来表示一个对象声明的用来操作对象的动作. 这是我们在 Linux 内核 中看到的第一个面向对象编程的现象, 后续章中我们会看到更多.

传统上, 一个 file_operation 结构或者其一个指针称为 fops( 或者它的一些变体). 结 构中的每个成员必须指向驱动中的函数, 这些函数实现一个特别的操作, 或者对于不支持 的操作留置为 NULL. 当指定为 NULL 指针时内核的确切的行为是每个函数不同的, 如同本 节后面的列表所示.

下面的列表介绍了一个应用程序能够在设备上调用的所有操作. 我们已经试图保持列表简 短, 这样它可作为一个参考, 只是总结每个操作和在 NULL 指针使用时的缺省内核行为.

在你通读 file_operations 方法的列表时, 你会注意到不少参数包含字串 user. 这种 注解是一种文档形式, 注意, 一个指针是一个不能被直接解引用的用户空间地址. 对于正 常的编译, user 没有效果, 但是它可被外部检查软件使用来找出对用户空间地址的错误 使用.

本章剩下的部分, 在描述一些其他重要数据结构后, 解释了最重要操作的角色并且给了提 示, 告诫和真实代码例子. 我们推迟讨论更复杂的操作到后面章节, 因为我们还不准备深 入如内存管理, 阻塞操作, 和异步通知.

struct module *owner

第一个 file_operations 成员根本不是一个操作; 它是一个指向拥有这个结构的模 块的指针. 这个成员用来在它的操作还在被使用时阻止模块被卸载. 几乎所有时间 中, 它被简单初始化为 THIS_MODULE, 一个在 <linux/module.h> 中定义的宏.

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

llseek 方法用作改变文件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值. loff_t 参数是一个"long offset", 并且就算在 32 位平台上也至少 64 位宽. 错 误由一个负返回值指示. 如果这个函数指针是 NULL, seek 调用会以潜在地无法预 知的方式修改 file 结构中的位置计数器( 在"file 结构" 一节中描述).

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

用来从设备中获取数据. 在这个位置的一个空指针导致 read 系统调用以 - EINVAL("Invalid argument") 失败. 一个非负返回值代表了成功读取的字节数( 返 回值是一个 "signed size" 类型, 常常是目标平台本地的整数类型).

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

初始化一个异步读 -- 可能在函数返回前不结束的读操作. 如果这个方法是 NULL, 所有的操作会由 read 代替进行(同步地).

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

发送数据给设备. 如果 NULL, -EINVAL 返回给调用 write 系统调用的程序. 如果 非负, 返回值代表成功写的字节数.

ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char user *, size_t, loff_t *); 初始化设备上的一个异步写.

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); 对于设备文件这个成员应当为 NULL; 它用来读取目录, 并且仅对文件系统有用.

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

poll 方法是 3 个系统调用的后端: poll, epoll, 和 select, 都用作查询对一个 或多个文件描述符的读或写是否会阻塞. poll 方法应当返回一个位掩码指示是否非 阻塞的读或写是可能的, 并且, 可能地, 提供给内核信息用来使调用进程睡眠直到 I/O 变为可能. 如果一个驱动的 poll 方法为 NULL, 设备假定为不阻塞地可读可写.

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

ioctl 系统调用提供了发出设备特定命令的方法(例如格式化软盘的一个磁道, 这不 是读也不是写). 另外, 几个 ioctl 命令被内核识别而不必引用 fops 表. 如果设 备不提供 ioctl 方法, 对于任何未事先定义的请求(-ENOTTY, "设备无这样的 ioctl"), 系统调用返回一个错误.

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

mmap 用来请求将设备内存映射到进程的地址空间. 如果这个方法是 NULL, mmap 系 统调用返回 -ENODEV.

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

尽管这常常是对设备文件进行的第一个操作, 不要求驱动声明一个对应的方法. 如 果这个项是 NULL, 设备打开一直成功, 但是你的驱动不会得到通知.

int (*flush) (struct file *);

flush 操作在进程关闭它的设备文件描述符的拷贝时调用; 它应当执行(并且等待) 设备的任何未完成的操作. 这个必须不要和用户查询请求的 fsync 操作混淆了. 当 前, flush 在很少驱动中使用; SCSI 磁带驱动使用它, 例如, 为确保所有写的数据 在设备关闭前写到磁带上. 如果 flush 为 NULL, 内核简单地忽略用户应用程序的 请求.

int (*release) (struct inode *, struct file *); 在文件结构被释放时引用这个操作. 如同 open, release 可以为 NULL.

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

这个方法是 fsync 系统调用的后端, 用户调用来刷新任何挂着的数据. 如果这个指 针是 NULL, 系统调用返回 -EINVAL.

int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int); 这是 fsync 方法的异步版本.

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

这个操作用来通知设备它的 FASYNC 标志的改变. 异步通知是一个高级的主题, 在 第 6 章中描述. 这个成员可以是 NULL 如果驱动不支持异步通知.

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

lock 方法用来实现文件加锁; 加锁对常规文件是必不可少的特性, 但是设备驱动几 乎从不实现它.

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

这些方法实现发散/汇聚读和写操作. 应用程序偶尔需要做一个包含多个内存区的单 个读或写操作; 这些系统调用允许它们这样做而不必对数据进行额外拷贝. 如果这 些函数指针为 NULL, read 和 write 方法被调用( 可能多于一次 ).

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

这个方法实现 sendfile 系统调用的读, 使用最少的拷贝从一个文件描述符搬移数 据到另一个. 例如, 它被一个需要发送文件内容到一个网络连接的 web 服务器使用. 设备驱动常常使 sendfile 为 NULL.

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

sendpage 是 sendfile 的另一半; 它由内核调用来发送数据, 一次一页, 到对应的 文件. 设备驱动实际上不实现 sendpage.

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