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linux有内核文件操作函数吗

青灯夜游原创: 2023-03-02 10:39:011360浏览

linux有内核文件操作函数，例filp_open()函数可用于打开文件、vfs_read()函数可用于读取文件、vfs_write()函数可用于写文件、filp_close()函数可用于关闭文件。在vfs_read和vfs_write函数中，其第二个参数指向的用户空间的内存地址，如果直接使用内核空间的指针，则会返回“-EFALUT”。

linux有内核文件操作函数吗

本教程操作环境：linux7.3系统、Dell G3电脑。

1. 内核空间文件操作

功能	函数原型
打开文件	struct file filp_open(const char filename, int flags, int mode)
读文件	ssize_t vfs_read(struct file file, char __user buf, size_t count, loff_t *pos)
写文件	ssize_t vfs_write(struct file file, const char __user buf, size_t count, loff_t *pos)
关闭文件	int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id)

2. 内核空间与用户空间

在vfs_read和vfs_write函数中，其参数buf指向的用户空间的内存地址，如果我们直接使用内核空间的指针，则会返回-EFALUT。这是因为使用的缓冲区超过了用户空间的地址范围。一般系统调用会要求你使用的缓冲区不能在内核区。这个可以用set_fs()、get_fs()来解决。

在include/asm/uaccess.h中，有如下定义：

#define MAKE_MM_SEG(s) ((mm_segment_t) { (s) })

#define KERNEL_DS MAKE_MM_SEG(0xFFFFFFFF)

#define USER_DS MAKE_MM_SEG(PAGE_OFFSET)

#define get_ds() (KERNEL_DS)

#define get_fs() (current->addr_limit)

#define set_fs(x) (current->addr_limit = (x))

如果使用，如下：

mm_segment_t fs = get_fs();

set_fs(KERNEL_FS);

//vfs_write();

vfs_read();

set_fs(fs);

详尽解释：系统调用本来是提供给用户空间的程序访问的，所以，对传递给它的参数（比如上面的buf），它默认会认为来自用户空间，在read或write()函数中，为了保护内核空间，一般会用get_fs()得到的值来和USER_DS进行比较，从而防止用户空间程序“蓄意”破坏内核空间；而现在要在内核空间使用系统调用，此时传递给read或write（）的参数地址就是内核空间的地址了，在USER_DS之上(USER_DS ~ KERNEL_DS)，如果不做任何其它处理，在write()函数中，会认为该地址超过了USER_DS范围，所以会认为是用户空间的“蓄意破坏”，从而不允许进一步的执行；为了解决这个问题set_fs(KERNEL_DS)将其能访问的空间限制扩大到KERNEL_DS,这样就可以在内核顺利使用系统调用了！

3.Linux struct inode结构

/*索引节点对象由inode结构体表示，定义文件在linux/fs.h中
*/
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_dentry;            /* 目录项链表 */
        unsigned long           i_ino;               /* 节点号 */
        atomic_t                i_count;             /* 引用记数 */
        umode_t                 i_mode;              /* 访问权限控制 */
        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 */
        kdev_t                  i_rdev;              /* 实设备标识符 */
        loff_t                  i_size;              /* 以字节为单位的文件大小 */
        struct timespec         i_atime;             /* 最后访问时间 */
        struct timespec         i_mtime;             /* 最后修改(modify)时间 */
        struct timespec         i_ctime;             /* 最后改变(change)时间 */
        unsigned int            i_blkbits;           /* 以位为单位的块大小 */
        unsigned long           i_blksize;           /* 以字节为单位的块大小 */
        unsigned long           i_version;           /* 版本号 */
        unsigned long           i_blocks;            /* 文件的块数 */
        unsigned short          i_bytes;             /* 使用的字节数 */
        spinlock_t              i_lock;              /* 自旋锁 */
        struct rw_semaphore     i_alloc_sem;         /* 索引节点信号量 */
        struct inode_operations *i_op;               /* 索引节点操作表 */
        struct file_operations  *i_fop;              /* 默认的索引节点操作 */
        struct super_block      *i_sb;               /* 相关的超级块 */
        struct file_lock        *i_flock;            /* 文件锁链表 */
        struct address_space    *i_mapping;          /* 相关的地址映射 */
        struct address_space    i_data;              /* 设备地址映射 */
        struct dquot            *i_dquot[MAXQUOTAS]; /* 节点的磁盘限额 */
        struct list_head        i_devices;           /* 块设备链表 */
        struct pipe_inode_info  *i_pipe;             /* 管道信息 */
        struct block_device     *i_bdev;             /* 块设备驱动 */
        unsigned long           i_dnotify_mask;      /* 目录通知掩码 */
        struct dnotify_struct   *i_dnotify;          /* 目录通知 */
        unsigned long           i_state;             /* 状态标志 */
        unsigned long           dirtied_when;        /* 首次修改时间 */
        unsigned int            i_flags;             /* 文件系统标志 */
        unsigned char           i_sock;              /* 可能是个套接字吧 */
        atomic_t                i_writecount;        /* 写者记数 */
        void                    *i_security;         /* 安全模块 */
        __u32                   i_generation;        /* 索引节点版本号 */
        union {
                void            *generic_ip;         /* 文件特殊信息 */
        } u;
};

/*
*索引节点的操作inode_operations定义在linux/fs.h中
*/
struct inode_operations {
        int (*create) (struct inode *, struct dentry *,int);
        /*VFS通过系统调用create()和open()来调用该函数，从而为dentry对象创建一个新的索引节点。在创建时使用mode制定初始模式*/
        struct dentry * (*lookup) (struct inode *, struct dentry *);
        /*该韩式在特定目录中寻找索引节点，该索引节点要对应于dentry中给出的文件名*/
        int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
        /*该函数被系统调用link()电泳，用来创建硬连接。硬链接名称由dentry参数指定，连接对象是dir目录中ld_dentry目录想所代表的文件*/
        int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *);
        /*该函数被系统调用unlink()调用，从目录dir中删除由目录项dentry制动的索引节点对象*/
        int (*symlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *);
        /*该函数被系统电泳symlik()调用，创建符号连接，该符号连接名称由symname指定，连接对象是dir目录中的dentry目录项*/
        int (*mkdir) (struct inode *, struct dentry *, int);
        /*该函数被mkdir()调用，创建一个新鲁姆。创建时使用mode制定的初始模式*/
        int (*rmdir) (struct inode *, struct dentry *);
        /*该函数被系统调用rmdir()调用，删除dir目录中的dentry目录项代表的文件*/
        int (*mknod) (struct inode *, struct dentry *, int, dev_t);
        /*该函数被系统调用mknod()调用，创建特殊文件(设备文件、命名管道或套接字)。要创建的文件放在dir目录中，其目录项问dentry，关联的设备为rdev，初始权限由mode指定*/
        int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
                       struct inode *, struct dentry *);
        /*VFS调用该函数来移动文件。文件源路径在old_dir目录中，源文件由old_dentry目录项所指定，目标路径在new_dir目录中，目标文件由new_dentry指定*/
        int (*readlink) (struct dentry *, char *, int);
        /*该函数被系统调用readlink()调用，拷贝数据到特定的缓冲buffer中。拷贝的数据来自dentry指定的符号链接，最大拷贝大小可达到buflen字节*/
        int (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
        /*该函数由VFS调用，从一个符号连接查找他指向的索引节点，由dentry指向的连接被解析*/
        int (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
        /*在follow_link()调用之后，该函数由vfs调用进行清楚工作*/
        void (*truncate) (struct inode *);
        /*该函数由VFS调用，修改文件的大小，在调用之前，索引节点的i_size项必须被设置成预期的大小*/
        int (*permission) (struct inode *, int);
        /*该函数用来检查给低昂的inode所代表的文件是否允许特定的访问模式，如果允许特定的访问模式，返回0，否则返回负值的错误码。多数文件系统 都将此区域设置为null，使用VFS提供的通用方法进行检查，这种检查操作仅仅比较索引及诶但对象中的访问模式位是否和mask一致，比较复杂的系统， 比如支持访问控制链(ACL)的文件系统，需要使用特殊的permission()方法*/
        int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
        /*该函数被notify_change调用，在修改索引节点之后，通知发生了改变事件*/
        int (*getattr) (struct vfsmount *, struct dentry *, struct kstat *);
        /*在通知索引节点需要从磁盘中更新时，VFS会调用该函数*/
        int (*setxattr) (struct dentry *, const char *,
                         const void *, size_t, int);
        /*该函数由VFS调用，向dentry指定的文件设置扩展属性，属性名为name，值为value*/
        ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
        /*该函数被VFS调用，向value中拷贝给定文件的扩展属性name对应的数值*/
        ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
        /*该函数将特定文件所有属性别表拷贝到一个缓冲列表中*/
        int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
        /*该函数从给定文件中删除指定的属性*/
};

4.Linux struct file结构
struct file结构体定义在/linux/include/linux/fs.h(Linux 2.6.11内核)中，其原型是：

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
#define f_vfsmnt        f_path.mnt
        const struct file_operations    *f_op;
        atomic_t                f_count;
        unsigned int            f_flags;
        mode_t                  f_mode;
        loff_t                  f_pos;
        struct fown_struct      f_owner;
        unsigned int            f_uid, f_gid;
        struct file_ra_state    f_ra;
        unsigned long           f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
        void                    *f_security;
#endif
        /* needed for tty driver, and maybe others */
        void                    *private_data;
#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;
};

文件结构体代表一个打开的文件，系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。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。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，struct file的指针通常被命名为file或filp。

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