Linux 字符设备驱动结构（三）—— file、inode结构体及chardevs数组等相关知识解析

先看下面这张图，这是Linux 中虚拟文件系统、一般的设备文件与设备驱动程序之间的函数调用关系;

上面这张图展现了一个应用程序调用字符设备驱动的过程, 在设备驱动程序的设计中，一般而言，会关心 file 和 inode 这两个结构体。

用户空间使用 open() 函数打开一个字符设备 fd = open("/dev/hello",O_RDWR) , 这一函数会调用两个数据结构 struct inode{...}与struct file{...} ，二者均在虚拟文件系统VFS处，下面对两个数据结构进行解析。

1. file 文件结构体

在设备驱动中，这也是个非常重要的数据结构，必须要注意一点，这里的file与用户空间程序中的FILE指针是不同的，用户空间FILE是定义在C库中，从来不会出现在内核中。而struct file，却是内核当中的数据结构，因此，它也不会出现在用户层程序中。

file结构体指示一个已经打开的文件（设备对应于设备文件），其实系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个相应的struct file结构体，它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数，直至文件被关闭。如果文件被关闭，内核就会释放相应的数据结构。

在内核源码中，struct file要么表示为file，或者为filp(意指“file pointer”), 注意区分一点，file指的是struct file本身，而filp是指向这个结构体的指针。

struct file结构体成员如下图：

使用open打开文件时，传入的flags、mode等参数会被记录在内核中对应的struct file结构体里(f_flags、f_mode)：

下面是几个重要成员：

（1）fmode_t f_mode;
此文件模式通过FMODE_READ, FMODE_WRITE识别了文件为可读的，可写的，或者是二者。在open或ioctl函数中可能需要检查此域以确认文件的读/写权限，你不必直接去检测读或写权限，因为在进行ioctl等操作时内核本身就需要对其权限进行检测。

（2）loff_t f_pos;
当前读写文件的位置。为64位。如果想知道当前文件当前位置在哪，驱动可以读取这个值而不会改变其位置。对read,write来说，当其接收到一个loff_t型指针作为其最后一个参数时，他们的读写操作便作更新文件的位置，而不需要直接执行filp ->f_pos操作。而lseek方法的目的就是用于改变文件的位置。

（3）unsigned int f_flags;
文件标志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK以及O_SYNC。在驱动中还可以检查O_NONBLOCK标志查看是否有非阻塞请求。其它的标志较少使用。特别地注意的是，读写权限的检查是使用f_mode而不是f_flog。所有的标量定义在头文件中

（4）struct file_operations *f_op;
与文件相关的各种操作。当文件需要迅速进行各种操作时，内核分配这个指针作为它实现文件打开，读，写等功能的一部分。filp->f_op 其值从未被内核保存作为下次的引用，即你可以改变与文件相关的各种操作，这种方式效率非常高。

file_operation 结构体解析如下：file_operations 结构体知识解析

（5）void *private_data;
在驱动调用open方法之前，open系统调用设置此指针为NULL值。你可以很自由的将其做为你自己需要的一些数据域或者不管它，如，你可以将其指向一个分配好的数据，但是你必须记得在file struct被内核销毁之前在release方法中释放这些数据的内存空间。private_data用于在系统调用期间保存各种状态信息是非常有用的。

2. inode结构体

VFS inode 包含文件访问权限、属主、组、大小、生成时间、访问时间、最后修改时间等信息。它是Linux 管理文件系统的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁。

内核使用inode结构体在内核内部表示一个文件。因此，它与表示一个已经打开的文件描述符的结构体(即file 文件结构)是不同的，我们可以使用多个file 文件结构表示同一个文件的多个文件描述符，但此时，所有的这些file文件结构全部都必须只能指向一个inode结构体。

inode结构体包含了一大堆文件相关的信息，但是就针对驱动代码来说，我们只要关心其中的两个域即可：

（1）dev_t i_rdev;
表示设备文件的结点，这个域实际上包含了设备号。

（2）struct cdev *i_cdev;
struct cdev是内核的一个内部结构，它是用来表示字符设备的。当inode结点指向一个字符设备文件时，此域为一个指向inode结构的指针。

inode结构体如下：

struct inode {
 struct hlist_node i_hash;
 struct list_head i_list;
 struct list_head i_sb_list;
 struct list_head i_dentry;
 unsigned long  i_ino;
 atomic_t  i_count;
 unsigned int  i_nlink;
 uid_t   i_uid;//inode拥有者id
 gid_t   i_gid;//inode所属群组id
 dev_t   i_rdev;//若是设备文件，表示记录设备的设备号
 u64   i_version;
 loff_t   i_size;//inode所代表大少
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
 seqcount_t  i_size_seqcount;
#endif
 struct timespec  i_atime;//inode最近一次的存取时间
 struct timespec  i_mtime;//inode最近一次修改时间
 struct timespec  i_ctime;//inode的生成时间
 unsigned int  i_blkbits;
 blkcnt_t  i_blocks;
 unsigned short          i_bytes;
 umode_t   i_mode;
 spinlock_t  i_lock; 
 struct mutex  i_mutex;
 struct rw_semaphore i_alloc_sem;
 const struct inode_operations *i_op;
 const struct file_operations *i_fop; 
 struct super_block *i_sb;
 struct file_lock *i_flock;
 struct address_space *i_mapping;
 struct address_space i_data;
#ifdef CONFIG_QUOTA
 struct dquot  *i_dquot[MAXQUOTAS];
#endif
 struct list_head i_devices;
 union {
  struct pipe_inode_info *i_pipe;
  struct block_device *i_bdev;
  struct cdev  *i_cdev;//若是字符设备，对应的为cdev结构体
 };

3. chardevs 数组

从第一幅图中可以看出，通过数据结构 struct inode{...} 中的 i_cdev 成员可以找到cdev，而所有的字符设备都在 chrdevs 数组中。

下面先看一下 chrdevs 的定义：

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255
static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock);
 
static struct char_device_struct {
	struct char_device_struct *next; // 结构体指针
	unsigned int major;              // 主设备号
	unsigned int baseminor;          // 次设备起始号
	int minorct;                     // 次备号个数
	char name[64];
	struct cdev *cdev; /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];      // 只能挂255个字符主设备  

可以看到全局数组 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)个 struct char_device_struct的元素，每一个对应一个相应的主设备号。

如果分配了一个设备号,就会创建一个 struct char_device_struct 的对象,并将其添加到 chrdevs 中；这样,通过chrdevs数组,我们就可以知道分配了哪些设备号。

相关函数，（这些函数在上篇已经介绍过，现在回顾一下：

register_chrdev_region( ) //分配指定的设备号范围
alloc_chrdev_region( ) //动态分配设备范围

他们都主要是通过调用函数 __register_chrdev_region() 来实现的；要注意，这两个函数仅仅是注册设备号！如果要和cdev关联起来，还要调用cdev_add()。

register_chrdev( )//申请指定的设备号，并且将其注册到字符设备驱动模型中.

register_chrdev所做的事情为：
（1）注册设备号，通过调用 __register_chrdev_region() 来实现

（2）分配一个cdev, 通过调用cdev_alloc()来实现

（3）将cdev添加到驱动模型中, 这一步将设备号和驱动关联了起来. 通过调用 cdev_add() 来实现

（4）将第一步中创建的 struct char_device_struct 对象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由于register_chrdev()是老的接口，这一步在新的接口中并不需要。

4. cdev 结构体

在Linux 字符设备驱动结构：cdev 结构体、设备号相关知识解析有解析

5. 文件系统中对字符设备文件的访问

下面看一下上层应用open() 调用系统调用函数的过程

对于一个字符设备文件, 其inode->i_cdev 指向字符驱动对象cdev, 如果i_cdev为NULL ,则说明该设备文件没有被打开。

由于多个设备可以共用同一个驱动程序，所以，通过字符设备的inode 中的i_devices 和 cdev中的list组成一个链表

首先，系统调用open打开一个字符设备的时候，通过一系列调用，最终会执行到 chrdev_open

int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)

chrdev_open()所做的事情可以概括如下:

（1）根据设备号（inode->i_rdev），在字符设备驱动模型中查找对应的驱动程序，这通过kobj_lookup() 来实现，kobj_lookup()会返回对应驱动程序cdev的kobject.

（2）设置inode->i_cdev，指向找到的cdev.

（3）将inode添加到cdev->list 的链表中.

（4）使用cdev的ops设置file对象的f_op

（5）如果ops中定义了open方法，则调用该open方法

（6）返回

执行完chrdev_open()之后，file对象的f_op指向cdev的ops，因而之后对设备进行的read, write等操作，就会执行cdev的相应操作。