关于linux驱动，file_operations 结构体详细说明

file_operations 是 Linux 内核中用于定义字符设备驱动与用户空间交互接口的核心结构体。它通过函数指针数组，将用户空间的系统调用（如 open(), read(), write() 等）映射到内核驱动的具体实现函数。以下是其详细说明：

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1. 结构体定义

在较新的内核版本（如 5.x+）中，file_operations 定义在 <linux/fs.h> 中，典型成员如下：

struct file_operations {
    struct module *owner;
    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 *);
    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
    __poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    // ... 其他成员（根据内核版本可能不同）
};

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2. 核心成员详解

(1) owner

• 作用：指向模块所有者的指针，通常设为 THIS_MODULE。
• 用途：防止模块被卸载时仍有未释放的引用（通过 try_module_get() 和 module_put() 管理引用计数）。
• 示例：

  static struct file_operations fops = {
      .owner = THIS_MODULE,
      // 其他成员...
  };

(2) open

• 触发条件：用户调用 open() 或 fopen()。
• 原型：

  int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);

• 参数：
  • inode：设备文件的 inode 结构体，包含设备号等信息。
  • filp：文件对象，可通过 filp->private_data 存储驱动私有数据。
• 典型操作：
  • 初始化设备。
  • 分配资源（如内存、DMA 缓冲区）。
  • 设置 filp->private_data 指向驱动上下文。

(3) release

• 触发条件：用户调用 close() 或 fclose()。
• 原型：

  int (*release)(struct inode *inode, struct file *filp);

• 用途：
  • 释放 open() 中分配的资源。
  • 关闭硬件设备。
  • 清理 filp->private_data。

(4) read / write

• 触发条件：用户调用 read() 或 write()。
• 原型：

  ssize_t (*read)(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
  ssize_t (*write)(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);

• 参数：
  • buf：用户空间缓冲区地址（需通过 copy_to_user()/copy_from_user() 访问）。
  • count：请求的字节数。
  • f_pos：文件偏移量（由驱动维护，如 *f_pos += ret）。
• 返回值：成功时返回实际操作的字节数，错误返回负值（如 -EINVAL）。

(5) unlocked_ioctl / compat_ioctl

• 触发条件：用户调用 ioctl()。原型：

  long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
  long (*compat_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

  用途：
  • 实现设备特定的控制命令（如配置寄存器、获取状态）。
  • compat_ioctl 用于 64 位内核处理 32 位用户的 ioctl 调用。
• 实现要点：
  • 使用 _IOC_* 宏定义命令（如 _IOC_READ, _IOC_WRITE）。
  • 通过 copy_to_user()/copy_from_user() 传递参数。

(6) poll

• 触发条件：用户调用 select(), poll(), epoll()。
• 原型：

  __poll_t (*poll)(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait);

• 用途：
  • 实现非阻塞 I/O。
  • 注册等待队列（poll_wait(filp, &queue, wait)），当数据就绪时唤醒进程。
• 返回值：位掩码（如 POLLIN 表示可读，POLLOUT 表示可写）。

(7) mmap

• 触发条件：用户调用 mmap()。
• 原型：

  int (*mmap)(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);

• 用途：
  • 将设备内存映射到用户空间（如摄像头帧缓冲）。
  • 需设置 vma->vm_flags 并调用 remap_pfn_range()。

(8) llseek

• 触发条件：用户调用 lseek()。
• 原型：

  loff_t (*llseek)(struct file *filp, loff_t offset, int whence);

• 用途：
  • 修改文件读写位置（如随机访问设备）。
  • 返回新位置，错误返回负值。

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3. 同步与并发控制

• 问题：多个进程同时访问设备可能导致数据竞争。
• 解决方案：
  • 使用互斥锁（mutex）保护共享资源。
  • 在 open() 中初始化锁，release() 中销毁。
  • 示例：

    static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
        struct my_dev *dev = container_of(inode->i_cdev, struct my_dev, cdev);
        mutex_lock(&dev->lock);
        filp->private_data = dev;
        // 初始化操作...
        mutex_unlock(&dev->lock);
        return 0;
    }

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4. 示例：简单字符设备驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>

static int dev_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
    // 初始化设备
    return 0;
}

static ssize_t dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {
    // 从设备读取数据到用户空间
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = dev_open,
    .read = dev_read,
    // 其他成员...
};

static int __init my_init(void) {
    // 注册字符设备
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void) {
    // 注销设备
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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5. 注意事项

1. 错误处理：所有函数需正确返回错误码（如 -EFAULT, -EINVAL）。
2. 资源管理：在 open() 中分配资源，release() 中释放。
3. 内核版本兼容性：部分成员（如 read_iter/write_iter）用于替代传统 read/write，支持零拷贝。
4. 文档参考：内核源码 Documentation/driver-model/ 和 Documentation/filesystems/vfs.txt。

通过合理实现 file_operations，驱动可高效、安全地与用户空间交互。