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Linux设备文件三大结构：inode,file,file_operations

Linux设备文件 结构 File 三大 operations inode
2023-09-11 14:19:53 时间

struct inode

Linux中一切皆文件，当我们在Linux中创建一个文件时，就会在相应的文件系统创建一个inode与之对应，文件实体和文件的inode是一一对应的，创建好一个inode会存在存储器中，第一次open就会将inode在内存中有一个备份，同一个文件被多次打开并不会产生多个inode，当所有被打开的文件都被close之后，inode在内存中的实例才会被释放。既然如此，当我们使用mknod(或其他方法)创建一个设备文件时，也会在文件系统中创建一个inode，这个inode和其他的inode一样，用来存储关于这个文件的静态信息(不变的信息)，包括这个设备文件对应的设备号，文件的路径以及对应的驱动对象etc。inode作为VFS四大对象之一，在驱动开发中很少需要自己进行填充，更多的是在open()方法中进行查看并根据需要填充我们的file结构。
对于不同的文件类型，inode被填充的成员内容也会有所不同，以创建字符设备为例，我们知道，cdev_add其实是把一个字符驱动对象和一个(一组)设备号联系到一起。而创建设备文件，其实是把设备文件和设备号联系到一起。至此，这三者就被绑定在一起了。这样，内核就有能力创建一个struct inode实例了。

struct inode {
    umode_t            i_mode;
    unsigned short        i_opflags;
    kuid_t            i_uid;
    kgid_t            i_gid;
    unsigned int        i_flags;

...
    union {
        const struct file_operations    *i_fop;    /* former ->i_op->default_file_ops */
        void (*free_inode)(struct inode *);
    };
    struct file_lock_context    *i_flctx;
    struct address_space    i_data;
    struct list_head    i_devices;
    union {
        struct pipe_inode_info    *i_pipe;
        struct cdev        *i_cdev;
        char            *i_link;
        unsigned        i_dir_seq;
    };

...

    void            *i_private; /* fs or device private pointer */
}

特殊文件类型的union：pipe、cdev、link、dir_seq，i_cdev表示这个inode属于一个字符设备文件，创建字符设备文件的时候会把与之相关的设备号的驱动对象cdev拿来填充

i_fop：创建设备文件的时候，i_fop 填充的是def_chr_fops、def_blk_fops、pipefifo_fops之一，参见创建过程中调用的init_special_inode()

void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
    inode->i_mode = mode;
    if (S_ISCHR(mode)) {
        inode->i_fop = &def_chr_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISBLK(mode)) {
        inode->i_fop = &def_blk_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISFIFO(mode))
        inode->i_fop = &pipefifo_fops;
    else if (S_ISSOCK(mode))
        ;    /* leave it no_open_fops */
    else
        printk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for"
                  " inode %s:%lu\n", mode, inode->i_sb->s_id,
                  inode->i_ino);
}
const struct file_operations def_chr_fops = {
    .open = chrdev_open,
    .llseek = noop_llseek,
};

struct file

每一个进程维护一个打开文件描述符表。open()的过程其实就是根据传入的路径创建一个 file 并将其赋值到数组中，并返回其索引。

struct file {
...
    struct path        f_path;
    struct inode        *f_inode;    /* cached value */
    const struct file_operations    *f_op;

    /*
     * Protects f_ep, f_flags.
     * Must not be taken from IRQ context.
     */
    spinlock_t        f_lock;
    enum rw_hint        f_write_hint;
    atomic_long_t        f_count;
    unsigned int         f_flags;
    fmode_t            f_mode;
    struct mutex        f_pos_lock;
    loff_t            f_pos;
    struct fown_struct    f_owner;
    const struct cred    *f_cred;
    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;

...
}

 

f_path：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

f_inode：存储的是找到的inode

f_op：存储的就是驱动提供的file_operations对象，这个对象应该在第一次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()，对于字符设备文件即chrdev_open()

 

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