字符设备驱动程序中重要的三个数据结构file_operations、inode、file

字符设备驱动程序中重要的三个数据结构file_operations、inode、file

在学习字符设备驱动的开始，我们必须了解的是三个很重要的数据结构，他们分别是file_operations、inode、file。下面陶毛毛同学就和大家一起来学习这三个数据结构。

struct _file_operations在Fs.h这个文件里面被定义的，如下所示：

struct file_operations { 
    struct module *owner;//拥有该结构的模块的指针，一般为THIS_MODULES 
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//用来修改文件当前的读写位置 
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//从设备中同步读取数据 
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//向设备发送数据

    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一个异步的读取操作 
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一个异步的写入操作 
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);//仅用于读取目录，对于设备文件，该字段为NULL 
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); //轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读写或写入 
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); //执行设备I/O控制命令 
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //不使用BLK文件系统，将使用此种函数指针代替ioctl 
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //在64位系统上，32位的ioctl调用将使用此函数指针代替 
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); //用于请求将设备内存映射到进程地址空间 
    int (*open) (struct inode *, struct file *); //打开 
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); 
    int (*release) (struct inode *, struct file *); //关闭 
    int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); //刷新待处理的数据 
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); //异步刷新待处理的数据 
    int (*fasync) (int, struct file *, int); //通知设备FASYNC标志发生变化 
    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 **); 
};

Linux使用file_operations结构访问驱动程序的函数，这个结构的每一个成员的名字都对应着一个调用。用户进程利用在对设备文件进行诸如read/write操作的时候，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数，这是Linux的设备驱动程序工作的基本原理。

下面是struct inode结构体。

struct inode { 
struct hlist_node   i_hash; //哈希表 
struct list_head   i_list;      //索引节点链表 
struct list_head   i_sb_list;//目录项链表 
struct list_head   i_dentry; 
unsigned long       i_ino;     //节点号 
atomic_t       i_count;          //引用记数 
unsigned int       i_nlink;    //硬链接数 
uid_t           i_uid;                /*使用者id */ 
gid_t           i_gid;                 /*使用者id组*/ 
dev_t           i_rdev;             //该成员表示设备文件的inode结构，它包含了真正的设备编号。 
u64             i_version; 
loff_t           i_size;              /*inode多代表的文件的大小*/ 
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED 
seqcount_t       i_size_seqcount; 
#endif 
struct timespec       i_atime;        /*inode最后一次存取的时间*/ 
struct timespec       i_mtime;       /*inode最后一次修改的时间*/ 
struct timespec       i_ctime;       /*inode的创建时间*/ 
unsigned int       i_blkbits;          /*inode在做I/O时的区块大小*/ 
blkcnt_t       i_blocks;                 /*inode所石油的block块数*/ 
unsigned short          i_bytes; 
umode_t           i_mode;    /*inode的权限*/ 
spinlock_t       i_lock;   /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */ 
struct mutex       i_mutex; 
struct rw_semaphore   i_alloc_sem; 
const struct inode_operations   *i_op; 
const struct file_operations   *i_fop;   /* former ->i_op->default_file_ops */ 
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;    /*若是字符设备，为其对应的cdev结构体指针*/ 
union { 
struct pipe_inode_info   *i_pipe; 
struct block_device   *i_bdev;     /*若是块设备，为其对应的cdev结构体指针*/ 
struct cdev       *i_cdev; //该成员表示字符设备的内核的 内部结构。当inode指向一个字符设备文件时，该成员包含了指向struct cdev结构的指针，其中cdev结构是字符设备结构体。 
}; 
int           i_cindex; 
__u32           i_generation; 
#ifdef CONFIG_DNOTIFY 
unsigned long       i_dnotify_mask; /* Directory notify events */ 
struct dnotify_struct   *i_dnotify; /* for directory notifications */ 
#endif 
#ifdef CONFIG_INOTIFY 
struct list_head   inotify_watches; /* watches on this inode */ 
struct mutex       inotify_mutex;   /* protects the watches list */ 
#endif 
unsigned long       i_state; 
unsigned long       dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */ 
unsigned int       i_flags; 
atomic_t       i_writecount; 
#ifdef CONFIG_SECURITY 
void           *i_security; 
#endif 
void           *i_private; /* fs or device private pointer */ 
};

内核中用inode结构表示具体的文件，也就是对应与硬盘上面具体的文件。提供了设备文件的信息。inode译成中文就是索引节点。每个存储设备或存储设备的分区（存储设备是硬盘、软盘、U盘 ... ... ）被格式化为文件系统后，应该有两部份，一部份是inode，另一部份是Block，Block是用来存储数据用的。而inode呢，就是用来存储这些数据的信息，这些信息包括文件大小、属主、归属的用户组、读写权限等。inode为每个文件进行信息索引，所以就有了inode的数值。操作系统根据指令，能通过inode值最快的找到相对应的文件。

最后是struct file。

struct file { 
/* 
* fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via 
* fu_rcuhead for RCU freeing 
*/ 
union { 
struct list_head    fu_list; 
struct rcu_head     fu_rcuhead; 
} f_u; 
struct path        f_path; 
#define f_dentry    f_path.dentry   //该成员是对应的 目录结构 。 
#define f_vfsmnt    f_path.mnt 
const struct file_operations    *f_op; //该操作 是定义文件关联的操作的。内核在执行open时对这个指针赋值。 
atomic_long_t        f_count;//文件的引用计数（有多少进程打开该文件） 
unsigned int           f_flags; //该成员是文件标志。 
mode_t            f_mode;//读写模式：open的mod_t mode参数 
loff_t               f_pos;//该文件在当前进程中的文件偏移量 
struct fown_struct    f_owner;//该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据 
unsigned int              f_uid, f_gid;//文件所有者id，所有者组id 
struct file_ra_state  f_ra;

u64            f_version; 
#ifdef CONFIG_SECURITY 
void            *f_security; 
#endif 
/* needed for tty driver, and maybe others */ 
void            *private_data;//该成员是系统调用时保存状态信息非常有用的资源。

#ifdef CONFIG_EPOLL 
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */ 
struct list_head    f_ep_links; 
spinlock_t             f_ep_lock; 
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */ 
struct address_space    *f_mapping; 
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT 
unsigned long f_mnt_write_state; 
#endif 
};

文件结构代表一个打开的文件描述符，它不是专门给驱动程序使用的，系统中每一个打开的文件在内核中都有一个关联的struct file。它由内核在open时创建，并传递给在文件上操作的任何函数，知道最后关闭。当文件的所有实例都关闭之后，内核释放这个数据结构。

最后：总结一下，struct operations存在于设备驱动程序内部，起着联系应用程序和设备驱动的作用。struct inode存在于磁盘上，作为描述设备驱动文件的信息的作用。struct file是在执行open函数时产生的，每打开一个文件就产生一个struct file，供设备驱动关联的函数使用。