linux设备驱动归纳总结（三）：3.设备驱动面向对象思想和lseek的实现
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：
18 struct _test_t{
19 char kbuf[DEV_SIZE]; //这里存放数据
20 unsigned int major; //这里存放主设备号
21 unsigned int minor; //这里存放次设备号
22 unsigned int cur_size; //这里存放当前的kbuf的大小
23 dev_t devno; //这里存放设备号
24 struct cdev test_cdev; //这里存放cdev结构体
25 };
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 *xiaobai_a;
};
struct B {
int xiaobai_b;
};
struct A a;
在遥远的另一处有这样的定义：struct B b;
并且，a.xiaobai_a = &b.xiaobai_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.xiaobai_a, struct B, xiaobai_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
27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp)
28 {
29 struct _test_t *dev;
30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev);
31 filp->private_data = dev;
32 return 0;
33 }
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
18 struct _test_t{
19 char kbuf[DEV_SIZE];
20 unsigned int major;
21 unsigned int minor;
22 unsigned int cur_size;
23 dev_t devno;
24 struct cdev test_cdev;
25 };
26
27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp)
28 {/*open操作需要给把拿到的结构体指针赋值给private_data*/
29 struct _test_t *dev;
30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev);
31 filp->private_data = dev;
32 return 0;
33 }
34
35 int test_close(struct inode *node, struct file *filp)
36 {
37 return 0;
38 }
39
40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
41 {
42 int ret;
43 struct _test_t *dev = filp->private_data;
44
45 if(!dev->cur_size){
46 return 0;
47 }
48
49 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){
50 ret = - EFAULT;
51 }else{/*read函数成功读取后要修改cur_size*/
52 ret = count;
53 dev->cur_size -= count;
54 }
55 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size);
56
57 return ret;
58 }
59
60 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
61 {
62 int ret;
63 struct _test_t *dev = filp->private_data;
64
65 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
66 ret = - EFAULT;
67 }else{/*write函数成功写入后也要修改cur_size*/
68 ret = count;
69 dev->cur_size += count;
70 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
71 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size);
72 }
73
74 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
75 }
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：
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5
6 int main(void)
7 {
8 char buf[20];
9 int fd;
10 fd = open("/dev/test", O_RDWR);
11 if(fd < 0)
12 {
13 perror("open");
14 return -1;
15 }
16
17 read(fd, buf, 10);
18 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
19
20 write(fd, "xiao bai", 10);
21
22 read(fd, buf, 10);
23 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
24
25 close(fd);
26 return 0;
27 }
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 [xiao bai] //成功写入
<kernel>[test_write]cur_size:[10] //更新cur_size
<kernel>[test_read]cur_size:[0] //read读取成功，跟新cur_size
<app>buf is [xiao bai] //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
40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
41 {
42 int ret;
43 struct _test_t *dev = filp->private_data;
44
45 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量
46 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0，表示读取0个数据成功
47 } //count不为0则分会错误号，地址越界
48 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量
49 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。
50 }
51 /*copy_to_user的参数也要改一下*/
52 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf + *offset, count)){
53 ret = - EFAULT;
54 }else{
55 ret = count;
56 dev->cur_size -= count; //读取后数组的字节数减少
57 *offset += count; //偏移量增加
58 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
59 }
60
61 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
62 }
63
64 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
65 {
66 int ret;
67 struct _test_t *dev = filp->private_data;
68 /*copy_from_user的参数也要改一下*/
69 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量
70 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0，表示读取0个数据成功
71 } //count不为0则分会错误号，地址越界
72 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量
73 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。
74 }
75
76 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
77 ret = - EFAULT;
78 }else{
79 ret = count;
80 dev->cur_size += count; //写入后数组的字节数增加
81 *offset += count; //偏移量增加
82 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
83 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
84 }
85
86 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
87 }
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：
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5
6 int main(void)
7 {
8 char buf[20];
9 int fd;
10 fd = open("/dev/test", O_RDWR);
11 if(fd < 0)
12 {
13 perror("open");
14 return -1;
15 }
16
17 write(fd, "xiao bai", 10);
18
19 read(fd, buf, 10);
20 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
21
22 close(fd);
23 return 0;
24 }
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 10 bytes, cur_size:[10]//写入
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_read]read 10 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*/
89 loff_t test_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence)
90 {
91 loff_t new_pos; //新偏移量
92 loff_t old_pos = filp->f_pos; //旧偏移量
93
94 switch(whence){
95 case SEEK_SET:
96 new_pos = offset;
97 break;
98 case SEEK_CUR:
99 new_pos = old_pos + offset;
100 break;
101 case SEEK_END:
102 new_pos = DEV_SIZE + offset;
103 break;
104 default:
105 P_DEBUG("unknow whence\n");
106 return - EINVAL;
107 }
108
109 if(new_pos < 0 || new_pos > DEV_SIZE){ //如果偏移量越界，返回错误号
110 P_DEBUG("f_pos failed\n");
111 return - EINVAL;
112 }
113
114 filp->f_pos = new_pos;
115 return new_pos; //正确返回新的偏移量
116 }
再来个应用程序：/3rd_char/3rd_char_3/3rd/app.c
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5
6 int main(void)
7 {
8 char buf[20];
9 int fd;
10 int ret;
11
12 fd = open("/dev/test", O_RDWR);
13 if(fd < 0)
14 {
15 perror("open");
16 return -1;
17 }
18
19 write(fd, "xiao bai", 10);
20 /*让偏移量移至开头，这样才能读取数据*/
21 ret = lseek(fd, 0, SEEK_SET);
22
23 read(fd, buf, 10);
24 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
25
26 close(fd);
27 return 0;
28 }
验证一下：
[root: 2nd]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //读到数据了！
<app>buf is [xiao bai] //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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源代码： 3rd_char_3.rar