深入理解 Linux `read()` 系统调用：原理、代码示例与高频面试解析

1. 引言

在 Linux 操作系统中，系统调用（System Call）是用户空间与内核通信的唯一方式。read() 是最常见的系统调用之一，它允许用户进程从文件、设备或其他数据流中读取数据。

在本文中，我们将深入讲解 read() 的整个执行流程，从 用户态 到 内核态 的转换，并结合 真实代码示例 来剖析 read() 如何最终调用设备驱动程序。同时，我们还会整理相关的 高频面试题及专业解答，帮助你更好地理解 Linux 内核系统调用机制。

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2. read() 到底做了什么？

2.1 read() 是如何工作的？

让我们从一个最简单的用户程序开始：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/my_device", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[128];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));

    if (bytes_read > 0) {
        buffer[bytes_read] = '\0'; // 确保字符串正确终止
        printf("Read from device: %s\n", buffer);
    } else {
        perror("read");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

这段代码的 read() 函数到底做了什么呢？我们来拆解其工作原理。

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3. read() 调用内核的过程

read() 是一个 系统调用，整个过程如下：

1. 用户态（User Space）：

   • 用户进程调用 read(fd, buffer, len)
   • glibc 封装 syscall(SYS_read, fd, buffer, len)

2. 进入内核态（Kernel Space）：

   • 触发 sys_read() 系统调用
   • VFS（虚拟文件系统） 解析 /dev/my_device
   • 调用 设备驱动的 read()

3. 设备驱动层（Driver Layer）：

   • 执行 my_read()
   • copy_to_user() 将数据从内核空间复制到用户空间

4. 返回用户态（Back to User Space）：

   • read() 返回读取的字节数
   • 用户进程获取数据

🚀 简单理解： read() 让 CPU 从 用户态 切换到 内核态，完成数据传输后再切换回来。

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4. 代码示例：实现一个字符设备驱动

4.1 注册字符设备

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEVICE_NAME "my_device"

static dev_t dev_num;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;
static struct device *my_device;

static char kernel_buffer[] = "Hello from kernel!\n";

// `read()` 的驱动实现
static ssize_t my_read(struct file *filep, char __user *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    int msg_len = sizeof(kernel_buffer);

    if (*offset >= msg_len) return 0; // 文件读取结束

    if (len > msg_len - *offset)
        len = msg_len - *offset;

    if (copy_to_user(buffer, kernel_buffer + *offset, len)) 
        return -EFAULT; // 复制失败

    *offset += len;
    return len;
}

// `file_operations` 结构体
static struct file_operations fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .read    = my_read,
};

// 模块初始化
static int __init my_module_init(void) {
    if (alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME) < 0)
        return -1;

    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    if (IS_ERR(my_class))
        return PTR_ERR(my_class);

    cdev_init(&my_cdev, &fops);
    cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);

    my_device = device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);
    return 0;
}

// 模块卸载
static void __exit my_module_exit(void) {
    device_destroy(my_class, dev_num);
    class_destroy(my_class);
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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5. read() 的完整流程解析

1. 用户调用 read(fd, buffer, len)
2. glibc 通过 syscall(SYS_read, fd, buffer, len) 进入内核
3. 内核中的 sys_read() 解析 fd
4. VFS 发现 fd 关联 /dev/my_device
5. 内核调用 file_operations.read，即 my_read()
6. copy_to_user() 把数据拷贝到用户空间
7. read() 返回读取的字节数，数据已存入 buffer

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6. 高频面试题及答案

Q1: read() 是如何进入内核的？

回答：

• glibc 使用 syscall(SYS_read, fd, buffer, len)
• 触发 sys_read() 系统调用
• sys_read() 通过 VFS 解析 /dev 设备
• 调用 file_operations.read

Q2: 为什么 copy_to_user() 必须使用？

回答：

• 内核态数据不能直接访问用户态
• copy_to_user() 负责安全拷贝数据，防止非法访问

Q3: file_operations 的作用是什么？

回答：

• file_operations 连接 VFS 与设备驱动
• read()、write()、open() 等操作都要注册

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read  = my_read,
};

Q4: read() 调用 copy_to_user()，那 write() 呢？

回答：

• read() 用 copy_to_user()，从内核拷贝到用户
• write() 用 copy_from_user()，从用户拷贝到内核

copy_from_user(kernel_buffer, buffer, len);

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7. 总结

✅ read() 是完整的系统调用，涉及用户态和内核态切换
✅ VFS 解析 /dev，调用 file_operations.read
✅ 驱动程序的 my_read() 负责 copy_to_user() 数据拷贝
✅ 面试重点：系统调用流程、file_operations、copy_to_user()

通过理解 read()，你不仅掌握了 Linux 内核模块的核心机制，还能深入理解设备驱动开发的原理！ 🚀