linux 驱动开发，file_operations 结构体

在 Linux 驱动开发中，struct file_operations 是字符设备驱动的核心接口，定义了驱动支持的所有文件操作（如 open/read/write）。它是驱动与用户空间交互的桥梁，每个函数对应一个系统调用。

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1. 结构体定义

定义在 <linux/fs.h> 中，核心成员如下：

struct file_operations {
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    // 其他成员（如 poll、mmap 等）
};

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2. 关键成员函数

(1) open 和 release

• open：首次打开设备时调用，用于初始化硬件或分配资源。

  static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
      // 获取设备私有数据（如硬件寄存器地址）
      struct my_device *dev = container_of(inode->i_cdev, struct my_device, cdev);
      file->private_data = dev;
      // 初始化硬件...
      return 0;
  }

• release：文件关闭时调用，释放资源。

  static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
      struct my_device *dev = file->private_data;
      // 关闭硬件...
      return 0;
  }

(2) read 和 write

• read：从设备读取数据到用户空间。

  static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
      struct my_device *dev = file->private_data;
      // 从硬件读取数据到内核缓冲区
      copy_to_user(buf, dev->kernel_buffer, count); // 复制到用户空间
      return count;
  }

• write：将用户空间数据写入设备。

  static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
      struct my_device *dev = file->private_data;
      copy_from_user(dev->kernel_buffer, buf, count); // 从用户空间复制
      // 写入硬件...
      return count;
  }

(3) unlocked_ioctl

• 处理设备特定的控制命令（如配置寄存器）。

  static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
      struct my_device *dev = file->private_data;
      switch (cmd) {
      case MY_IOCTL_CMD:
          // 处理命令...
          return 0;
      default:
          return -EINVAL;
      }
  }

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3. 驱动中的使用示例

// 1. 定义 file_operations 实例
static const struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .release = my_release,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
};

// 2. 注册字符设备
static int __init my_init(void) {
    dev_t dev = MKDEV(major, 0);
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    return cdev_add(&my_cdev, dev, 1);
}

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4. 关键注意事项

1. 线程安全：

   • 使用互斥锁（如 mutex_lock）保护共享资源：

     static DEFINE_MUTEX(my_mutex);
     static int my_open(...) {
         mutex_lock(&my_mutex);
         // 初始化操作...
         mutex_unlock(&my_mutex);
         return 0;
     }

2. 用户空间交互：

   • 使用 copy_to_user/copy_from_user 安全访问用户内存。
   • 返回负数错误码（如 -EFAULT 表示内存错误）。

3. 权限检查：

   if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
       return -EPERM; // 拒绝非特权用户访问

4. 偏移量管理：

   • 通过 loff_t *ppos 跟踪文件读写位置（如支持 lseek）。

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5. 高级主题

• 异步 I/O：实现 .aio_read/.aio_write 支持异步操作。
• 轮询/select：实现 .poll 函数通知文件就绪状态。
• 内存映射：通过 .mmap 将设备内存映射到用户空间。

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总结

struct file_operations 是驱动与用户空间的接口契约。通过填充此结构体，驱动开发者将硬件操作映射到标准文件操作，使得用户空间程序可以通过 open()/read()/write() 等系统调用与设备交互。正确实现这些函数是编写稳定字符设备驱动的关键。