【Linux开发】linux设备驱动归纳总结（三）：3.设备驱动面向对象思想和lseek的实现

linux设备驱动归纳总结（三）：3.设备驱动面向对象思想和lseek的实现

一、结构体struct file和struct inode

在之前写的函数，全部是定义了一些零散的全局变量。有没有办法整合成到一个结构体当中？这样的话，看起来和用起来都比较方便。接下来就要说这方面的问题。

不过先要介绍一下除了fops以外的两个比较重要的结构体：

1)struct file

在内核中，file结构体是用来维护打开的文件的。每打开一次文件，内核空间里就

会多增加一个file来维护，当文件关闭是释放。

所以，在内核中可以存在同一个文件的多个file，因为该文件被应用程序打开被打

开。

在struct file中有几个重要的成员：

1)loff_t f_pos;

这是用来记录文件的偏移量。在应用程序中，打开文件时偏移量为0，每次的读写操作都会使偏移量增加。

从这个原因可以看出为什么每打开一次文件就新建一个file结构体了。不然的话，每个打开文件的读写操作都修改同一个偏移量，那读写岂不是乱套了吗？

2)void *private_data;

这是空类型的指针可以用于存放任何数据，我会用这个指针来存放待会要定义的结构体指针。

回想一下，文件操作结构体fops中所有的函数成员里面都有一个参数是file结构体，所以每个函数都可以在file->private_data中拿到我自己定义的结构体了。

3)struct file_operations *fops;

打开文件后，内核会把fops存放在这里，以后的操作就在这里在这里找函数了。

2)struct inode

这个结构体是用来保存一个文件的基本信息的结构体，即使打开多个相同的文件，也只会有一个对应的inode。

它也有两个常用的成员：

1)dev_t i_rdev;

这里存放着这个文件的设备号。

2)struct cdev *i_cdev;

这个结构体很熟悉吧，这就是注册设备时用的cdev就存在这。这个结构体的用处现在我还不好说，待会看程序就知道了。

二、面向对象的思想

接下来就封装一下之前程序的数据类型吧：

18 struct _test_t{

19 char kbuf[DEV_SIZE]; //这里存放数据

20 unsigned int major; //这里存放主设备号

21 unsigned int minor; //这里存放次设备号

22 unsigned int cur_size; //这里存放当前的kbuf的大小

23 dev_t devno; //这里存放设备号

24 struct cdev test_cdev; //这里存放cdev结构体

25 };

定义了这样的一个结构体后，在操作函数中怎么拿到这个结构体的指针呢？

先来个函数：

#define container_of(ptr, type, member) ({ \

const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \

(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

使用：

已知一个结构体里面一个成员的指针ptr，同时，这个成员也是另外一个结构体类型中的一个成员，这个结构体的类型是type，而这个成员以member这个名字命名。就可以通过这个函数找到指向类型是type的结构体的指针。

返回值：

返回值就是指向type结构体类型的数据的指针。

如：现在定义这样的两个结构体：

struct A {

int *xiaobai_a;

};

struct B {

int xiaobai_b;

};

struct A a;

在遥远的另一处有这样的定义：struct B b;

并且，a.xiaobai_a = &b.xiaobai_b;

这样，在不知道b只知道a的情况下也可以找到b的位置：

struct B *bb = container_of(a.xiaobai_a, struct B, xiaobai_b);

估计被上面的解释说晕了吧。我还是举个例比较方便：

虽然一个函数不值得说这么久，但是我觉得这种思想很不错，内核中很多时候都用到这个函数，如在内核链表中。

来个邪恶的例子名字——老板与小秘：

老板他请了个年轻的小秘，他就跟客户说：“我电话号码经常换，你记着我小秘的电话，想找我嘛，找我小秘就可以了！”

于是，客户想找老板了，就打通小秘的电话，说：“我知道你是秘书小红，我想找你老板小黑，麻烦给他的电话号码我。”

这样，客户就拿到了老板最新的电话号码了。

想象老板和客户是个结构体，秘书和他的电话号码是个各自成员，电话号码想象成指针：

老板的电话 = container_of(秘书的电话， 老板，小秘)

说了半天还没进入正题，这个函数用在哪里呢？谁当小秘呢？

就是那个说了半天都不知道能做什么还经常出现的struct cdev！

而我把cdev添加到了我自己建的结构体struct _test_t中，所哟struct
_test_t就是老板！

而struct inode就是客户了，因为它的成员里面有小秘的电话号码：struct cdev *i_cdev;

所以，如果想得到_test_t，只要调用这个函数就行了。

下面看一下改良后的open函数

27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp)

28 {

29 struct _test_t *dev;

30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev);

31 filp->private_data = dev;

32 return 0;

33 }

上面还有一句，将获得的结构体指针存放到filp的private_data中。

这是因为，struct file_operations中的每个函数的第一个参数就是struct file,只要有file，每个函数都可以从private_data中得到数据了。相反，struct
inode这个参数并不是file_operations中所有的函数都有。

下面贴上部分代码：1st/test.c

18 struct _test_t{

19 char kbuf[DEV_SIZE];

20 unsigned int major;

21 unsigned int minor;

22 unsigned int cur_size;

23 dev_t devno;

24 struct cdev test_cdev;

25 };

26

27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp)

28 {/*open操作需要给把拿到的结构体指针赋值给private_data*/

29 struct _test_t *dev;

30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev);

31 filp->private_data = dev;

32 return 0;

33 }

34

35 int test_close(struct inode *node, struct file *filp)

36 {

37 return 0;

38 }

39

40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

41 {

42 int ret;

43 struct _test_t *dev = filp->private_data;

44

45 if(!dev->cur_size){

46 return 0;

47 }

48

49 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){

50 ret = - EFAULT;

51 }else{/*read函数成功读取后要修改cur_size*/

52 ret = count;

53 dev->cur_size -= count;

54 }

55 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size);

56

57 return ret;

58 }

59

60 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

61 {

62 int ret;

63 struct _test_t *dev = filp->private_data;

64

65 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){

66 ret = - EFAULT;

67 }else{/*write函数成功写入后也要修改cur_size*/

68 ret = count;

69 dev->cur_size += count;

70 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);

71 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size);

72 }

73

74 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

75 }

上面的程序其实就多了比上一个程序多了三步：

1)封装了一个结构体。

2)open函数要获得结构体并存放到private_data中。

3)read和write函数成功后要更新cur_size这个值。

这样，一个像样点的程序出来了，写个应用程序验证一下：

1 #include

2 #include

3 #include

4 #include

5

6 int main(void)

7 {

8 char buf[20];

9 int fd;

10 fd = open("/dev/test", O_RDWR);

11 if(fd < 0)

12 {

13 perror("open");

14 return -1;

15 }

16

17 read(fd, buf, 10);

18 printf("buf is [%s]\n", buf);

19

20 write(fd, "xiao bai", 10);

21

22 read(fd, buf, 10);

23 printf("buf is [%s]\n", buf);

24

25 close(fd);

26 return 0;

27 }

运行一下：

[root: 1st]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 1st]# ./app

buf is [] //第一次读取时cur_size==0，没数据就会返回

[test_write]kbuf is [xiao bai] //成功写入

[test_write]cur_size:[10] //更新cur_size

[test_read]cur_size:[0] //read读取成功，跟新cur_size

buf is [xiao bai] //应用程序返回读到的内容

[root: 1st]#

三、read、write的改进

上面的函数还是不完善的，想象一下，平时的read、write函数会增加偏移量，但上面的函数是不会的。这是因为还有一个参数我没用上，就是"loff_t
offset"。

"loff_t offset"这个参数是内核在调用函数时，从"struct file"的成员"f_ops"拿到指针并当作参数传入。这样的做法让用户不用再从"struct
file"提取成员，直接拿参数用就行了！

通过这个参数，我们就可以改进并且实现三个函数：

1test_read：当应用程序调用read时内核会调用test_read。读取数据的同时，偏移量会增加。

2test_write：当应用程序调用write时内核会调用test_write。写入数据的同时，偏移量也会增加。

3test_llseek：这是跟应用程序的lseek对应的，用来修改偏移量的位置。

有了上面的三个函数的功能，这样才算是个像样的函数！

先改进一下read、write函数

40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

41 {

42 int ret;

43 struct _test_t *dev = filp->private_data;

44

45 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量

46 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0，表示读取0个数据成功

47 } //count不为0则分会错误号，地址越界

48 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量

49 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。

50 }

51 /*copy_to_user的参数也要改一下*/

52 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf + *offset, count)){

53 ret = - EFAULT;

54 }else{

55 ret = count;

56 dev->cur_size -= count; //读取后数组的字节数减少

57 *offset += count; //偏移量增加

58 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

59 }

60

61 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

62 }

63

64 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

65 {

66 int ret;

67 struct _test_t *dev = filp->private_data;

68 /*copy_from_user的参数也要改一下*/

69 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量

70 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0，表示读取0个数据成功

71 } //count不为0则分会错误号，地址越界

72 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量

73 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。

74 }

75

76 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){

77 ret = - EFAULT;

78 }else{

79 ret = count;

80 dev->cur_size += count; //写入后数组的字节数增加

81 *offset += count; //偏移量增加

82 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

83 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);

84 }

85

86 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

87 }

话说得好，越是需要检测出错，代码就会几何级增加，如果不想看这么多代码，把这两个函数前面的两个if(45-50、69-74)都删掉！反正写应用程序的时候小心翼翼一点就好了。这个程序只是为了验证"offset"的作用。

再来个小心翼翼的应用程序：

1 #include

2 #include

3 #include

4 #include

5

6 int main(void)

7 {

8 char buf[20];

9 int fd;

10 fd = open("/dev/test", O_RDWR);

11 if(fd < 0)

12 {

13 perror("open");

14 return -1;

15 }

16

17 write(fd, "xiao bai", 10);

18

19 read(fd, buf, 10);

20 printf("buf is [%s]\n", buf);

21

22 close(fd);

23 return 0;

24 }

验证一下：

[root: 2nd]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 2nd]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 2nd]# ./app

[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]//写入

[test_write]kbuf is [xiao bai]

[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]//但读不出，因为偏移量增加

buf is []

上面的read函数根本读不出数据，这是因为偏移量增加了。这个时候需要一个函数来把偏移量移到开头，lseek函数就用上场了。下面就讲一下。

四、lseek函数的实现

应用层的函数lseek函数对应驱动的函数是llseek(为什么多了一个l我也想不懂)。

内核驱动：loff_t (*llseek) (struct file * filp, loff_t offset, int whence);

对应应用层：off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

使用：

一看参数就知道，这两个函数的第二和第三个参数就是对应的，当应用层调用函数时，对应的参数就会让内核传给驱动的函数llseek。

参数：

offset：一看这个参数不是指针，就知道和read、write的参数不一样。这是应用层传来的参数，并不是"struct
file"的偏移量"f_ops"。

whence：这个也跟应用层的参数一样，指定从哪个位置开始偏移。

从开头位置：#define SEEK_SET 0

从当前位置：#define SEEK_CUR 1

从文件末端：#define SEEK_END 2

返回值：成功返回当前的更新的偏移量，失败返回错误号，而应用层会返回-1。

下面来个程序：/3rd_char/3rd_char_3/3rd/test.c

/*test_llseek*/

89 loff_t test_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence)

90 {

91 loff_t new_pos; //新偏移量

92 loff_t old_pos = filp->f_pos; //旧偏移量

93

94 switch(whence){

95 case SEEK_SET:

96 new_pos = offset;

97 break;

98 case SEEK_CUR:

99 new_pos = old_pos + offset;

100 break;

101 case SEEK_END:

102 new_pos = DEV_SIZE + offset;

103 break;

104 default:

105 P_DEBUG("unknow whence\n");

106 return - EINVAL;

107 }

108

109 if(new_pos < 0 || new_pos > DEV_SIZE){ //如果偏移量越界，返回错误号

110 P_DEBUG("f_pos failed\n");

111 return - EINVAL;

112 }

113

114 filp->f_pos = new_pos;

115 return new_pos; //正确返回新的偏移量

116 }

再来个应用程序：/3rd_char/3rd_char_3/3rd/app.c

1 #include

2 #include

3 #include

4 #include

5

6 int main(void)

7 {

8 char buf[20];

9 int fd;

10 int ret;

11

12 fd = open("/dev/test", O_RDWR);

13 if(fd < 0)

14 {

15 perror("open");

16 return -1;

17 }

18

19 write(fd, "xiao bai", 10);

20 /*让偏移量移至开头，这样才能读取数据*/

21 ret = lseek(fd, 0, SEEK_SET);

22

23 read(fd, buf, 10);

24 printf("buf is [%s]\n", buf);

25

26 close(fd);

27 return 0;

28 }

验证一下：

[root: 2nd]# ./app

[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]

[test_write]kbuf is [xiao bai]

[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //读到数据了！

buf is [xiao bai] //读到数据了！

五、总结

拉风的时序图我就不画了。

上面讲的东西不多：

1)container_of的使用

2)怎么使用偏移量"filp->f_ops"。

3)llseek的编写。

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源代码： 3rd_char_3.rar