Linux 字符设备驱动结构（三）—— file、inode结构体及chardevs数组等相关知识解析

前面我们学习了字符设备结构体cdev Linux 字符设备驱动开发（一）—— 字符设备驱动结构（上）下面继续学习字符设备另外几个重要的数据结构。

先看下面这张图，这是Linux 中虚拟文件系统、一般的设备文件与设备驱动程序值间的函数调用关系;

上面这张图展现了一个应用程序调用字符设备驱动的过程, 在设备驱动程序的设计中，一般而言，会关心 file 和 inode 这两个结构体

用户空间使用 open() 函数打开一个字符设备 fd = open("/dev/hello",O_RDWR) , 这一函数会调用两个数据结构struct inode{...}与struct file{...} ，二者均在虚拟文件系统VFS处，下面对两个数据结构进行解析：

一、file 文件结构体

在设备驱动中，这也是个非常重要的数据结构，必须要注意一点，这里的file与用户空间程序中的FILE指针是不同的，用户空间FILE是定义在C库中，从来不会出现在内核中。而struct file，却是内核当中的数据结构，因此，它也不会出现在用户层程序中。

file结构体指示一个已经打开的文件（设备对应于设备文件），其实系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个相应的struct file结构体，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，直至文件被关闭。如果文件被关闭，内核就会释放相应的数据结构。

在内核源码中，struct file要么表示为file，或者为filp(意指“file pointer”), 注意区分一点，file指的是struct file本身，而filp是指向这个结构体的指针。

下面是几个重要成员：

a -- fmode_t f_mode;

此文件模式通过FMODE_READ, FMODE_WRITE识别了文件为可读的，可写的，或者是二者。在open或ioctl函数中可能需要检查此域以确认文件的读/写权限，你不必直接去检测读或写权限，因为在进行octl等操作时内核本身就需要对其权限进行检测。

b -- loff_t f_pos;

当前读写文件的位置。为64位。如果想知道当前文件当前位置在哪，驱动可以读取这个值而不会改变其位置。对read,write来说，当其接收到一个loff_t型指针作为其最后一个参数时，他们的读写操作便作更新文件的位置，而不需要直接执行filp ->f_pos操作。而llseek方法的目的就是用于改变文件的位置。

c -- unsigned int f_flags;

文件标志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK以及O_SYNC。在驱动中还可以检查O_NONBLOCK标志查看是否有非阻塞请求。其它的标志较少使用。特别地注意的是，读写权限的检查是使用f_mode而不是f_flog。所有的标量定义在头文件中

d -- struct file_operations *f_op;

与文件相关的各种操作。当文件需要迅速进行各种操作时，内核分配这个指针作为它实现文件打开，读，写等功能的一部分。filp->f_op 其值从未被内核保存作为下次的引用，即你可以改变与文件相关的各种操作，这种方式效率非常高。

file_operation 结构体解析如下：Linux 字符设备驱动结构（四）—— file_operations 结构体知识解析

e -- void *private_data;

在驱动调用open方法之前，open系统调用设置此指针为NULL值。你可以很自由的将其做为你自己需要的一些数据域或者不管它，如，你可以将其指向一个分配好的数据，但是你必须记得在file struct被内核销毁之前在release方法中释放这些数据的内存空间。private_data用于在系统调用期间保存各种状态信息是非常有用的。

二、 inode结构体

VFS inode 包含文件访问权限、属主、组、大小、生成时间、访问时间、最后修改时间等信息。它是Linux 管理文件系统的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁。

内核使用inode结构体在内核内部表示一个文件。因此，它与表示一个已经打开的文件描述符的结构体(即file 文件结构)是不同的，我们可以使用多个file 文件结构表示同一个文件的多个文件描述符，但此时，所有的这些file文件结构全部都必须只能指向一个inode结构体。

inode结构体包含了一大堆文件相关的信息，但是就针对驱动代码来说，我们只要关心其中的两个域即可：

(1) dev_t i_rdev;

表示设备文件的结点，这个域实际上包含了设备号。

(2) struct cdev *i_cdev;

struct cdev是内核的一个内部结构，它是用来表示字符设备的，当inode结点指向一个字符设备文件时，此域为一个指向inode结构的指针。

下面是源代码：

[cpp] view plaincopy  
 struct inode {  
  struct hlist_node i_hash;  
  struct list_head i_list;  
  struct list_head i_sb_list;  
  struct list_head i_dentry;  
  unsigned long  i_ino;  
  atomic_t  i_count;  
  unsigned int  i_nlink;  
  uid_t   i_uid;//inode拥有者id  
  gid_t   i_gid;//inode所属群组id  
  dev_t   i_rdev;//若是设备文件，表示记录设备的设备号  
  u64   i_version;  
  loff_t   i_size;//inode所代表大少  
 #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED  
  seqcount_t  i_size_seqcount;  
 #endif  
  struct timespec  i_atime;//inode最近一次的存取时间  
  struct timespec  i_mtime;//inode最近一次修改时间  
  struct timespec  i_ctime;//inode的生成时间  
  unsigned int  i_blkbits;  
  blkcnt_t  i_blocks;  
  unsigned short          i_bytes;  
  umode_t   i_mode;  
  spinlock_t  i_lock;   
  struct mutex  i_mutex;  
  struct rw_semaphore i_alloc_sem;  
  const struct inode_operations *i_op;  
  const struct file_operations *i_fop;   
  struct super_block *i_sb;  
  struct file_lock *i_flock;  
  struct address_space *i_mapping;  
  struct address_space i_data;  
 #ifdef CONFIG_QUOTA  
  struct dquot  *i_dquot[MAXQUOTAS];  
 #endif  
  struct list_head i_devices;  
  union {  
   struct pipe_inode_info *i_pipe;  
   struct block_device *i_bdev;  
   struct cdev  *i_cdev;//若是字符设备，对应的为cdev结构体  
  };  

三、chardevs 数组

从图中可以看出，通过数据结构 struct inode{...} 中的 i_cdev 成员可以找到cdev，而所有的字符设备都在 chrdevs 数组中

下面先看一下 chrdevs 的定义：

[cpp] view plaincopy  
 #define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255  
 static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock);  
   
 static struct char_device_struct {  
     struct char_device_struct *next; // 结构体指针  
     unsigned int major;              // 主设备号  
     unsigned int baseminor;          // 次设备起始号  
     int minorct;                     // 次备号个数  
     char name[64];  
     struct cdev *cdev; /* will die */  
 } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];      // 只能挂255个字符主设备<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">  </span>  