write的奥秘

作者：coly(李勇)

来源：http://www.linuxforum.net/doc/write-coly.html

摘要：介绍了一个简单的字符设备驱动程序，深入剖析了write函数的工作原理

在Linux下我们在使用设备的时候，都会用到write这个函数，通过这个函数我们可以象使 用文件那样向设备传送数据。可是为什么用户使用write函数就可以把数据写到设备里面 去，这个过程到底是怎么实现的呢？ 这个奥秘就在于设备驱动程序的write实现中，这里我结合一些源代码来解释如何使得一 个简简单单的write函数能够完成向设备里面写数据的复杂过程。 这里的源代码主要来自两个地方。第一是oreilly出版的《Linux device driver》中的 实例，第二是Linux Kernel 2.2.14核心源代码。我只列出了其中相关部分的内容，如果 读者有兴趣，也可以查阅其它源代码。不过我不是在讲解如何编写设备驱动程序，所以不 会对每一个细节都进行说明，再说有些地方我觉得自己还没有吃透。 由于《Linux device driver》一书中的例子对于我们还是复杂了一些，我将其中的一个 例程简化了一下。这个驱动程序支持这样一个设备：核心空间中的一个长度为10的数组 kbuf[10]。我们可以通过用户程序open它，read它，write它，close它。这个设备的名 字我称为short_t。 现在言归正传。 对于一个设备，它可以在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式 存在，但它不是普通意义上的文件，它是设备文件，更确切的说，它是设备节点。这个节 点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明了某一类设 备，一般对应着确定的驱动程序；次设备号一般是区分是标明不同属性，例如不同的使用 方法，不同的位置，不同的操作。这个设备号是从/proc/devices文件中获得的，所以一 般是先有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号（特指主设备号）的主 要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的，当你打开一 个设备文件时，操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序是哪一个了。这个"知道" 的过程后面就讲。 我们再说说驱动程序的基本结构吧。这里我只介绍动态模块型驱动程序（就是我们使用 insmod加载到核心中并使用rmmod卸载的那种），因为我只熟悉这种结构。 模块化的驱动程序由两个函数是固定的：int init_module(void) ；void cleanup_module(void)。前者在insmod的时候执行，后者在rmmod的时候执行。 init_nodule在执行的时候，进行一些驱动程序初始化的工作，其中最主要的工作有三 件：注册设备；申请I/O端口地址范围；申请中断IRQ。这里和我们想知道的事情相关的只 有注册设备。 下面是一个典型的init_module函数： int init_module(void){ int result = check_region(short_base,1)；/* 察看端口地址*/ …… request_region(short_base,1,"short"); /* 申请端口地址*/ …… result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); /* 注册设备 */ …… result = request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short", NULL); /* 申请IRQ */ …… return 0; }/* init_module*/ 上面这个函数我只保留了最重要的部分，其中最重要的函数是 result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); 这是一个驱动程序的精髓所在！！当你执行indmod命令时，这个函数可以完成三件大事： 第一，申请主设备号(short_major)，或者指定，或者动态分配；第二，在内核中注册设 备的名字("short")；第三，指定fops方法(&short_fops)。其中所指定的fops方法就是 我们对设备进行操作的方法（例如read,write,seek,dir,open,release等），如何实现 这些方法，是编写设备驱动程序大部分工作量所在。 现在我们就要接触关键部分了--如何实现fops方法。 我们都知道，每一个文件都有一个file的结构，在这个结构中有一个file_operations的 结构体，这个结构体指明了能够对该文件进行的操作。 下面是一个典型的file_operations结构： struct file_operations { loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*check_media_change) (kdev_t dev); int (*revalidate) (kdev_t dev); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); }; 我们可以看到它实际上就是许多文件操作的函数指针，其中就有write，其它的我们就不 去管它了。这个write指针在实际的驱动程序中会以程序员所实现的函数名字出现，它指 向程序员实现的设备write操作函数。下面就是一个实际的例子，这个write函数可以向核 心内存的一个数组里输入一个字符串。 int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count){ int retval = count; extern unsigned char kbuf[10]; if(count>10) count=10; copy_from_user(kbuf, buf, count); return retval; }/* short_write */ 设备short_t对应的fops方法是这样声明的： struct file_operations short_fops = { NULL, /* short_lseek */ short_read, short_write, NULL, /* short_readdir */ NULL, /* short_poll */ NULL, /* short_ioctl */ NULL, /* short_mmap */ short_open, short_release, NULL, /* short_fsync */ NULL, /* short_fasync */ /* nothing more, fill with NULLs */ }; 其中NULL的项目就是不提供这个功能。所以我们可以看出short_t设备只提供了 read,write,open,release功能。其中write功能我们在上面已经实现了，具体的实现函 数起名为short_write。这些函数就是真正对设备进行操作的函数，这就是驱动程序的一 大好处：不管你实现的时候是多么的复杂，但对用户来看，就是那些常用的文件操作函数。 但是我们可以看到，驱动程序里的write函数有四个参数，函数格式如下： short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count) 而用户程序中的write函数只有三个参数，函数格式如下： write(inf fd, char *buf, int count) 那他们两个是怎么联系在一起的呢？这就要靠操作系统核心中的函数sys_write了，下面 是Linux Kernel 2.2.14中sys_write中的源代码： asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count) { ssize_t ret; struct file * file; struct inode * inode; ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); /* 指向 驱动程序中的wirte函数的指针*/ lock_kernel(); ret = -EBADF; file = fget(fd); /* 通过文件描述符得到文件指针 */ if (!file) goto bad_file; if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE)) goto out; inode = file->f_dentry->d_inode; /* 得到inode信息 */ ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos, count); if (ret) goto out; ret = -EINVAL; if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) /* 将函数开始时声明的 write函数指针指向fops方法中对应的write函数 */ goto out; down(&inode->i_sem); ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); /* 使用驱动程序中的write函数 将数据输入设备，注意看，这里就是四个参数了 */ up(&inode->i_sem); out: fput(file); bad_file: unlock_kernel(); return ret; } 我写了一个简单的程序来测试这个驱动程序，该程序源代码节选如下（该省的我都省了）： main(){ int fd,count=0; unsigned char buf[10]; fd=open("/dev/short_t",O_RDWR); printf("input string:"); scanf("%s",buf); count=strlen(buf); if(count>10) count=10; count=write(fd,buf,count); close(fd); return 1; } 现在我们就演示一下用户使用write函数将数据写到设备里面这个过程到底是怎么实现的： 1，insmod驱动程序。驱动程序申请设备名和主设备号，这些可以在/proc/devieces中获得。 2，从/proc/devices中获得主设备号，并使用mknod命令建立设备节点文件。这是通过主 设备号将设备节点文件和设备驱动程序联系在一起。设备节点文件中的file属性中指明了 驱动程序中fops方法实现的函数指针。 3，用户程序使用open打开设备节点文件，这时操作系统内核知道该驱动程序工作了，就 调用fops方法中的open函数进行相应的工作。open方法一般返回的是文件标示符，实际 上并不是直接对它进行操作的，而是有操作系统的系统调用在背后工作。 4，当用户使用write函数操作设备文件时，操作系统调用sys_write函数，该函数首先通 过文件标示符得到设备节点文件对应的inode指针和flip指针。inode指针中有设备号信 息，能够告诉操作系统应该使用哪一个设备驱动程序，flip指针中有fops信息，可以告诉 操作系统相应的fops方法函数在那里可以找到。 5，然后这时sys_write才会调用驱动程序中的write方法来对设备进行写的操作。 其中1-3都是在用户空间进行的，4-5是在核心空间进行的。用户的write函数和操作系统 的write函数通过系统调用sys_write联系在了一起。 注意： 对于块设备来说，还存在写的模式的问题，这应该是由GNU C库来解决的，这里不予讨 论，因为我没有看过GNU C库的源代码。 另外，这是一个测试版的文章，请各位朋友们多提意见和建议，非常感谢！

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