Linux内核态下的文件操作

本文介绍在Linux内核中如何使用特定的函数进行文件的打开、读取、写入及关闭等操作。提供了filp_open、vfs_read、vfs_write和filp_close等核心函数的详细说明及一个完整的示例代码。

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在VFS的支持下,用户态进程读写任何类型的文件系统都可以使用read和write着两个系统调用,但是在linux内核中没有这样的系统调用我们如何操作文件呢?我们知道read和write在进入内核态之后,实际执行的是sys_read和sys_write,但是查看内核源代码,发现这些操作文件的函数都没有导出(使用EXPORT_SYMBOL导出),也就是说在内核模块中是不能使用的,那如何是好?

通过查看sys_open的源码我们发现,其主要使用了do_filp_open()函数,该函数在fs/namei.c中,而在改文件中,filp_open函数也是调用了do_filp_open函数,并且接口和sys_open函数极为相似,调用参数也和sys_open一样,并且使用EXPORT_SYMBOL导出了,所以我们猜想该函数可以打开文件,功能和open一样。使用同样的查找方法,我们找出了一组在内核中操作文件的函数,如下:

功能 函数原型 
打开文件 struct file *filp_open(const char *filename, int flags, int mode)  
读取文件 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)  
写文件 ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)  
关闭文件 int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id) 

我们注意到在vfs_read和vfs_write函数中,其参数buf指向的用户空间的内存地址,如果我们直接使用内核空间的指针,则会返回-EFALUT。所以我们需要使用 
set_fs()和get_fs()宏来改变内核对内存地址检查的处理方式,所以在内核空间对文件的读写流程为:

mm_segment_t fs = get_fs(); 
set_fs(KERNEL_FS); 
//vfs_write(); 
vfs_read(); 
set_fs(fs); 
下面为一个在内核中对文件操作的例子:

#include  
#include 
#include 
#include 
static char buf[] = "你好"; 
static char buf1[10]; 
int __init hello_init(void) 

    struct file *fp; 
    mm_segment_t fs; 
    loff_t pos; 
    printk("hello enter\n"); 
    fp = filp_open("/home/niutao/kernel_file", O_RDWR | O_CREAT, 0644); 
    if (IS_ERR(fp)) { 
        printk("create file error\n"); 
        return -1; 
    } 
    fs = get_fs(); 
    set_fs(KERNEL_DS); 
    pos = 0; 
    vfs_write(fp, buf, sizeof(buf), &pos); 
    pos = 0; 
    vfs_read(fp, buf1, sizeof(buf), &pos); 
    printk("read: %s\n", buf1); 
    filp_close(fp, NULL); 
    set_fs(fs); 
    return 0; 

void __exit hello_exit(void) 

    printk("hello exit\n"); 

module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 
MODULE_LICENSE("GPL");

### Linux内核态下文件读写的实现 在Linux内核中,文件的读写操作主要依赖于VFS(虚拟文件系统)层以及底层的具体文件系统实现。以下是关于如何在内核态实现文件读写的一些关键点: #### 1. 文件描述符与`struct file` 在Linux内核中,所有的打开文件都由一个`struct file`结构体表示[^4]。该结构体包含了文件的状态信息、位置指针以及其他元数据。 ```c struct file { mode_t f_mode; /* 文件模式 (FMODE_READ/FMODE_WRITE) */ loff_t f_pos; /* 当前文件偏移量 */ struct inode *f_inode; /* 文件对应的inode */ const struct file_operations *f_op; /* 文件的操作方法集合 */ }; ``` #### 2. VFS接口函数 VFS提供了统一的API来处理不同类型的文件系统。对于文件的读写操作,核心函数如下: - `vfs_read(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)`: 实现用户空间到内核空间的数据读取。 - `vfs_write(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)`: 实现用户空间到内核空间的数据写入。 这些函数会调用具体文件系统的回调函数,定义在`file_operations`结构体中[^5]。 #### 3. 内核中的文件操作流程 当需要在内核态执行文件读写时,通常遵循以下过程: - 使用`filp_open(const char *, int, umode_t)`打开目标文件并返回`struct file*`对象。 - 调用`kernel_read(struct file *, void *, unsigned long, loff_t *)`或`kernel_write(struct file *, const void *, unsigned long, loff_t *)`完成实际的读写操作。 - 完成后释放资源,关闭文件句柄使用`fput(struct file *)`。 下面是一个简单的代码示例展示如何在内核模块中实现文件读写功能: ```c #include <linux/fs.h> #include <linux/uaccess.h> static ssize_t my_kernel_read(char *buf, size_t count, loff_t pos, const char *filename) { struct file *file; mm_segment_t old_fs; ssize_t bytes; old_fs = get_fs(); set_fs(KERNEL_DS); file = filp_open(filename, O_RDONLY, 0); if (IS_ERR(file)) { pr_err("Failed to open %s\n", filename); set_fs(old_fs); return PTR_ERR(file); } bytes = kernel_read(file, buf, count, &pos); filp_close(file, NULL); set_fs(old_fs); return bytes; } static ssize_t my_kernel_write(const char *buf, size_t count, loff_t pos, const char *filename) { struct file *file; mm_segment_t old_fs; ssize_t bytes; old_fs = get_fs(); set_fs(KERNEL_DS); file = filp_open(filename, O_WRONLY | O_APPEND, 0644); if (IS_ERR(file)) { pr_err("Failed to open %s\n", filename); set_fs(old_fs); return PTR_ERR(file); } bytes = kernel_write(file, buf, count, &pos); filp_close(file, NULL); set_fs(old_fs); return bytes; } ``` 此代码片段展示了如何利用内核提供的工具安全地切换地址空间,并执行基本的文件I/O操作[^6]。 #### 4. 初始化内存文件系统的影响 如果涉及到临时文件或者初始化阶段的工作,则可能需要用到initramfs机制。相比传统的initrd方式,现代Linux更推荐采用基于cpio压缩包形式的initramfs作为根文件系统的一部分加载至RAM中运行[^2]。这不仅简化了配置还提高了效率。 --- ###
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