Fail peranti ialah fail khas dalam sistem Linux Ia digunakan untuk mewakili antara muka peranti supaya program ruang pengguna boleh mengakses peranti melalui operasi fail. Pelaksanaan fail peranti melibatkan tiga struktur penting: inode, fail dan operasi_fail. Struktur inode digunakan untuk menyimpan metadata fail peranti, seperti nombor peranti, kebenaran, saiz, dsb. Struktur fail digunakan untuk menyimpan maklumat status fail peranti, seperti lokasi semasa, mod terbuka, data peribadi, dsb. Struktur operasi_fail digunakan untuk menyimpan fungsi operasi fail peranti, seperti buka, baca, tulis, tutup, dsb. Dalam artikel ini, kami akan memperkenalkan definisi dan fungsi ketiga-tiga struktur ini, dan memberi contoh penggunaan dan langkah berjaga-jaganya.
Pemandu mengawal perkakasan ke bawah dan menyediakan antara muka ke atas. Antara muka yang disediakan ke atas di sini akhirnya sepadan dengan lapisan aplikasi dalam tiga cara: Fail peranti, /proc, /sys, yang paling biasa digunakan ialah menggunakan fail peranti. dan Linux Peranti yang paling biasa digunakan ialah peranti aksara Artikel ini mengambil peranti aksara sebagai contoh untuk menganalisis mekanisme dalaman mencipta dan membuka fail peranti aksara.
Semua dalam Linux ialah fail Apabila kami mencipta fail dalam Linux, inode akan dibuat dalam sistem fail yang sepadan untuk sepadan dengannya Entiti fail dan inod fail berada dalam surat-menyurat satu dengan satu. . Setelah inode dibuat, Disimpan dalam memori, bukaan pertama akan mempunyai sandaran inode dalam memori Fail yang sama dibuka beberapa kali dan berbilang inod tidak akan dihasilkan Apabila semua fail yang dibuka ditutup, inode akan berada dalam ingatan. Contoh akan dikeluarkan. Dalam kes ini, apabila kita menggunakan mknod (atau kaedah lain) untuk mencipta fail peranti, inod juga akan dibuat dalam sistem fail ini, seperti inod lain, digunakan untuk menyimpan maklumat statik (maklumat tidak berubah) tentang fail . ), termasuk nombor peranti yang sepadan dengan fail peranti ini, laluan fail dan objek pemacu yang sepadan dsb. Sebagai salah satu daripada empat objek utama VFS, inode jarang perlu diisi oleh kami sendiri dalam pembangunan pemacu Ia lebih perlu untuk melihatnya dalam kaedah open() dan mengisi struktur fail kami seperti yang diperlukan.
Untuk jenis fail yang berbeza, kandungan ahli inode yang diisi akan berbeza. Mengambil contoh peranti aksara, kita tahu bahawa add_chrdev_region sebenarnya menghubungkan objek pemacu dan (kumpulan) nombor peranti . Membuat fail peranti sebenarnya memautkan fail peranti dan nombor peranti bersama-sama. Pada ketika ini, ketiga-tiga ini terikat bersama. Dengan cara ini, kernel mempunyai keupayaan untuk mencipta instance struct inode Berikut ialah inode dalam kernel 4.8.5. Inode ini ialah inode VFS, yang merupakan enkapsulasi selanjutnya bagi inode sistem fail yang paling spesifik Ia juga merupakan inode yang berkenaan dalam pembangunan pemacu Untuk sistem fail tertentu, terdapat juga struktur seperti 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 };
Ahli utama yang berkaitan dengan artikel ini ialah:
“
struct inode
–602–>i_mode menunjukkan kawalan kebenaran akses
–604–>UID
–605–>GID
–606–>i_flags sistem fail bendera
–630–> Kiraan pautan keras
–635–>saiz fail i_size dalam bait
–636–>Masa akses terakhir
–637–>Masa pengubahsuaian terakhir
–638–>Masa pertukaran terakhir
–669–>i_dentry; //senarai rantai katalog
–673–>kiraan rujukan i_count, apabila kiraan rujukan menjadi 0, tika inod akan dikeluarkan
–675–>i_writecount bilangan penulis
–679–>Apabila mencipta fail peranti, i_fops diisi dengan salah satu daripada def_chr_fops, blk_blk_fops, def_fifo_fops dan bad_sock_fops() yang dipanggil semasa proses penciptaan
–683–>Jenis fail khas seperti kesatuan, paip, cdev, blk.link dsb. i_cdev menunjukkan bahawa inode ini tergolong dalam fail peranti aksara Semasa mencipta fail peranti dalam artikel ini, objek pemacu cdev nombor peranti yang berkaitan akan digunakan
–702–>data peribadi inode”
Di antara ahli di atas, hanya struct def_chr_fops berbaloi untuk diikuti, ia akan berguna nanti:
//fs/char_dev.c
429 const struct file_operations def_chr_fops = {
430 .open = chrdev_open,
431 .llseek = noop_llseek,
432 };
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：
“
”
Melalui artikel ini, kami telah mempelajari tentang tiga struktur penting fail peranti: inode, fail dan operasi_fail. Ia boleh digunakan untuk mengurus dan mengendalikan fail peranti. Kita harus memilih struktur yang sesuai mengikut keperluan sebenar dan mengikut beberapa prinsip asas, seperti menggunakan nombor peranti yang betul, menggunakan kebenaran yang munasabah, menggunakan fungsi pengendalian yang berkesan, dsb. Tiga struktur fail peranti adalah salah satu konsep paling asas dalam sistem Linux Mereka boleh mengabstrak dan merangkum peranti, dan juga boleh meningkatkan perpaduan dan fleksibiliti sistem. Saya harap artikel ini dapat membantu dan memberi inspirasi kepada anda.
Atas ialah kandungan terperinci Fail peranti dalam sistem Linux: inode, fail dan operasi_fail. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!
![[Web front-end] Permulaan pantas Node.js](https://img.php.cn/upload/course/000/000/067/662b5d34ba7c0227.png)
