Fichiers de périphérique dans les systèmes Linux : inode, file et file_operations

Un fichier de périphérique est un fichier spécial dans le système Linux. Il est utilisé pour représenter l'interface du périphérique afin que les programmes de l'espace utilisateur puissent accéder au périphérique via des opérations sur les fichiers. L'implémentation des fichiers de périphérique implique trois structures importantes : inode, file et file_operations. La structure inode est utilisée pour stocker les métadonnées des fichiers de périphérique, telles que le numéro de périphérique, les autorisations, la taille, etc. La structure de fichiers est utilisée pour stocker les informations d'état des fichiers de l'appareil, telles que l'emplacement actuel, le mode ouvert, les données privées, etc. La structure file_operations est utilisée pour stocker les fonctions d'opération de fichier de périphérique, telles que l'ouverture, la lecture, l'écriture, la fermeture, etc. Dans cet article, nous présenterons les définitions et les fonctions de ces trois structures, et donnerons des exemples de leur utilisation et de leurs précautions.

Le pilote contrôle le matériel vers le bas et fournit des interfaces vers le haut. Les interfaces fournies ici correspondent finalement à la couche application de trois manières : Fichiers de périphérique, /proc, /sys, dont la plus couramment utilisée est d'utiliser des fichiers de périphérique, et Linux Le périphérique le plus couramment utilisé est le périphérique de caractère. Cet article prend le périphérique de caractère comme exemple pour analyser le mécanisme interne de création et d'ouverture d'un fichier de périphérique de caractère.

struct inode

Tout sous Linux est un fichier. Lorsque nous créons un fichier sous Linux, un inode sera créé dans le système de fichiers correspondant pour lui correspondre L'entité fichier et l'inode du fichier sont en correspondance biunivoque. . Une fois qu'un inode est créé, stocké dans la mémoire, la première ouverture aura une sauvegarde de l'inode dans la mémoire. Le même fichier est ouvert plusieurs fois et plusieurs inodes ne seront pas générés lorsque tous les fichiers ouverts sont fermés. sera dans la mémoire. L'instance sera libérée. Dans ce cas, lorsque nous utilisons mknod (ou d'autres méthodes) pour créer un fichier de périphérique, un inode sera également créé dans le système de fichiers. Cet inode, comme les autres inodes, est utilisé pour stocker des informations statiques (informations immuables) sur le fichier. . ), y compris le numéro de périphérique correspondant à ce fichier de périphérique, le chemin du fichier et l'objet pilote correspondant, etc. En tant que l'un des quatre objets majeurs de VFS, l'inode doit rarement être rempli par nous-mêmes lors du développement du pilote. Il est plus nécessaire de le visualiser dans la méthode open() et de remplir notre structure de fichiers si nécessaire.
Pour différents types de fichiers, le contenu des membres remplis de l'inode sera également différent. En prenant comme exemple la création d'un périphérique de caractère, nous savons que add_chrdev_region connecte en fait un objet pilote et un (groupe) numéro de périphérique. La création d'un fichier d'appareil relie en fait le fichier d'appareil et le numéro d'appareil ensemble. À ce stade, ces trois éléments sont liés. De cette façon, le noyau a la capacité de créer une instance de struct inode Ce qui suit est l'inode du noyau 4.8.5. Cet inode est l'inode de VFS, qui est une encapsulation supplémentaire de l'inode du système de fichiers le plus spécifique. C'est également l'inode concerné par le développement du pilote. Pour les systèmes de fichiers spécifiques, il existe également des structures telles que struct ext2_inode_info.

//include/linux/fs.h
 596 /*
 597  * Keep mostly read-only and often accessed (especially for
 598  * the RCU path lookup and 'stat' data) fields at the beginning
 599  * of the 'struct inode'
 600  */
 601 struct inode {
 602         umode_t                 i_mode;
 603         unsigned short          i_opflags;
 604         kuid_t                  i_uid;
 605         kgid_t                  i_gid;
 606         unsigned int            i_flags;
 607 
 608 #ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
 609         struct posix_acl        *i_acl;
 610         struct posix_acl        *i_default_acl;
 611 #endif
 612 
 613         const struct inode_operations   *i_op;
 614         struct super_block      *i_sb;
 615         struct address_space    *i_mapping;
 616 
 617 #ifdef CONFIG_SECURITY
 618         void                    *i_security;
 619 #endif
 620 
 621         /* Stat data, not accessed from path walking */
 622         unsigned long           i_ino;
 623         /*
 624          * Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the
 625          * following functions for modification:
 626          *
 627          *    (set|clear|inc|drop)_nlink
 628          *    inode_(inc|dec)_link_count
 629          */
 630         union {
 631                 const unsigned int i_nlink;
 632                 unsigned int __i_nlink;
 633         };
 634         dev_t                   i_rdev;
 635         loff_t                  i_size;
 636         struct timespec         i_atime;
 637         struct timespec         i_mtime;
 638         struct timespec         i_ctime;
 639         spinlock_t              i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
 640         unsigned short          i_bytes;
 641         unsigned int            i_blkbits;
 642         blkcnt_t                i_blocks;
 643                                 
 644 #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
 645         seqcount_t              i_size_seqcount;
 646 #endif
 647 
 648         /* Misc */
 649         unsigned long           i_state;
 650         struct rw_semaphore     i_rwsem;
 651 
 652         unsigned long           dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */
 653         unsigned long           dirtied_time_when;
 654 
 655         struct hlist_node       i_hash;
 656         struct list_head        i_io_list;      /* backing dev IO list */
 657 #ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACK
 658         struct bdi_writeback    *i_wb;          /* the associated cgroup wb */
 659 
 660         /* foreign inode detection, see wbc_detach_inode() */
 661         int                     i_wb_frn_winner;
 662         u16                     i_wb_frn_avg_time;
 663         u16                     i_wb_frn_history;
 664 #endif
 665         struct list_head        i_lru;          /* inode LRU list */
 666         struct list_head        i_sb_list;
 667         struct list_head        i_wb_list;      /* backing dev writeback list */
 668         union {
 669                 struct hlist_head       i_dentry;
 670                 struct rcu_head         i_rcu;
 671         };
 672         u64                     i_version;
 673         atomic_t                i_count;
 674         atomic_t                i_dio_count;
 675         atomic_t                i_writecount;
 676 #ifdef CONFIG_IMA
 677         atomic_t                i_readcount; /* struct files open RO */
 678 #endif
 679         const struct file_operations    *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
 680         struct file_lock_context        *i_flctx;
 681         struct address_space    i_data;
 682         struct list_head        i_devices;
 683         union {
 684                 struct pipe_inode_info  *i_pipe;
 685                 struct block_device     *i_bdev;
 686                 struct cdev             *i_cdev;
 687                 char                    *i_link;
 688                 unsigned                i_dir_seq;
 689         };
 690 
 691         __u32                   i_generation;
 692 
 693 #ifdef CONFIG_FSNOTIFY
 694         __u32                   i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
 695         struct hlist_head       i_fsnotify_marks;
 696 #endif
 697 
 698 #if IS_ENABLED(CONFIG_FS_ENCRYPTION)
 699         struct fscrypt_info     *i_crypt_info;
 700 #endif
 701 
 702         void                    *i_private; /* fs or device private pointer */
 703 };    

Les principaux membres liés à cet article sont :

«

struct inode
–602–>i_mode indique le contrôle des autorisations d'accès
–604–>UID
–605–>GID
–606–>indicateurs du système de fichiers i_flags
–630–> Nombre de liens physiques
–635–>i_size taille du fichier en octets
–636–>Heure du dernier accès
–637–>Heure de la dernière modification
–638–>Heure du dernier changement
–669–>i_dentry; //Liste des colliers du catalogue
–673–>i_count nombre de références, lorsque le nombre de références devient 0, l'instance d'inode sera libérée
–675–>i_writecount nombre d'écrivains
–679–>Lors de la création d'un fichier de périphérique, i_fops est rempli avec l'un des def_chr_fops, blk_blk_fops, def_fifo_fops et bad_sock_fops Voir init_special_inode() appelé pendant le processus de création
. –683–>Types de fichiers spéciaux tels que union, pipe, cdev, blk.link etc. i_cdev indique que cet inode appartient à un fichier de périphérique de caractères lors de la création du fichier de périphérique dans cet article, l'objet pilote cdev du numéro de périphérique associé. sera utilisé. Remplissage
–702–>données privées d’inode

”

Parmi les membres ci-dessus, seul struct def_chr_fops vaut la peine d'être poursuivi, il sera d'une grande utilité plus tard :

//fs/char_dev.c
429 const struct file_operations def_chr_fops = { 
430         .open = chrdev_open,
431         .llseek = noop_llseek,
432 };

struct file

Linux内核会为每一个进程维护一个文件描述符表，这个表其实就是struct file[]的索引。open()的过程其实就是根据传入的路径填充好一个file结构并将其赋值到数组中并返回其索引。下面是file的主要内容

//include/linux/fs.h
 877 struct file {
 878         union {
 879                 struct llist_node       fu_llist;
 880                 struct rcu_head         fu_rcuhead;
 881         } f_u;
 882         struct path             f_path;
 883         struct inode            *f_inode;       /* cached value */
 884         const struct file_operations    *f_op;
 885 
 886         /*                                            
 887          * Protects f_ep_links, f_flags.
 888          * Must not be taken from IRQ context.
 889          */
 890         spinlock_t              f_lock;
 891         atomic_long_t           f_count;
 892         unsigned int            f_flags;
 893         fmode_t                 f_mode;
 894         struct mutex            f_pos_lock;
 895         loff_t                  f_pos;
 896         struct fown_struct      f_owner;
 897         const struct cred       *f_cred;
 898         struct file_ra_state    f_ra;f
 904         /* needed for tty driver, and maybe others */
 905         void                    *private_data;
 912         struct address_space    *f_mapping;
 913 } __attribute__((aligned(4)));  /* lest something weird decides that 2 is OK */

“

struct file
–882–>f_path里存储的是open传入的路径，VFS就是根据这个路径逐层找到相应的inode
–883–>f_inode里存储的是找到的inode
–884–>f_op里存储的就是驱动提供的file_operations对象，这个对象在open的时候被填充，具体地，应用层的open通过层层搜索会调用inode.i_fops->open，即chrdev_open()
–891–>f_count的作用是记录对文件对象的引用计数，也即当前有多少个使用CLONE_FILES标志克隆的进程在使用该文件。典型的应用是在POSIX线程中。就像在内核中普通的引用计数模块一样，最后一个进程调用put_files_struct()来释放文件描述符。
–892–>f_flags当打开文件时指定的标志，对应系统调用open的int flags，比如驱动程序为了支持非阻塞型操作需要检查这个标志是否有O_NONBLOCK。
–893–>f_mode;对文件的读写模式，对应系统调用open的mod_t mode参数，比如O_RDWR。如果驱动程序需要这个值，可以直接读取这个字段。
–905–>private_data表示file结构的私有数据

”

我在Linux设备管理（二）_从cdev_add说起一文中已经分析过chrdev_open()，这里仅作概述。

//fs/chr_dev.c
348 /*
349  * Called every time a character special file is opened
350  */
351 static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
352 {
            /* 搜索cdev */
            ...
390         replace_fops(filp, fops);
391         if (filp->f_op->open) {
392                 ret = filp->f_op->open(inode, filp);
393                 if (ret)
394                         goto out_cdev_put;
395         } 
            ...
402 }

可以看出，这个函数有三个任务(划重点!!!)：

“

chrdev_open()
–352-389–>利用container_of等根据inode中的成员找到相应的cdev
–390–>用cdev.fops替换filp->f_op，即填充了一个空的struct file的f_op成员。
–392–>回调替换之后的filp->f_op->open,由于替换，这个其实就是cdev.fops

”

至此，我们知道了我们写的驱动中的open()在何时会被回调，这样我们就可以实现很多有意思的功能，比如，
我们可以在open中通过inode->cdev来识别具体的设备，并将其私有数据隐藏到file结构的private_data中，进而识别同一个驱动操作一类设备;
我们也可以在回调cdev.fops->open()阶段重新填充file结构的fop，进而实现同一个驱动操作不同的设备，这种思想就是内核驱动中常用的分层！
最后总结一下这些结构之间的关系：

“

”

Grâce à cet article, nous avons découvert les trois structures importantes des fichiers de périphérique : inode, file et file_operations. Ils peuvent être utilisés pour gérer et exploiter les fichiers de l'appareil. Nous devons choisir la structure appropriée en fonction des besoins réels et suivre certains principes de base, tels que l'utilisation du bon numéro d'appareil, l'utilisation d'autorisations raisonnables, l'utilisation de fonctions d'exploitation efficaces, etc. Les trois structures de fichiers de périphérique constituent l'un des concepts les plus fondamentaux du système Linux. Elles peuvent abstraire et encapsuler le périphérique, et peuvent également améliorer l'unité et la flexibilité du système. J’espère que cet article pourra vous être utile et inspirant.

Ce qui précède est le contenu détaillé de. pour plus d'informations, suivez d'autres articles connexes sur le site Web de PHP en chinois!