Linux文件系統(tǒng)與設(shè)備文件

字符設(shè)備和塊設(shè)備體現(xiàn)了Linux中的一切皆文件的設(shè)計思想，驅(qū)動通過文件操作相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和C庫函數(shù)（本質(zhì)也屬于系統(tǒng)調(diào)用）被訪問，其次驅(qū)動工程師在設(shè)備驅(qū)動中不可避免會與設(shè)備文件系統(tǒng)打交道，這也引出了我們需要掌握設(shè)備文件系統(tǒng)的相關(guān)知識。

Linux文件操作

文件操作系統(tǒng)調(diào)用

涉及到創(chuàng)建打開關(guān)閉等操作

1. 創(chuàng)建

int creat(const char *filename, mode_t mode)

其中參數(shù)filename指的是文件名，mode指的是文件的權(quán)限，它同umask決定了文件的最終權(quán)限，umask代表了文件在創(chuàng)建時要去除的一些存取權(quán)限

int umask(int newmask)

將umask設(shè)置為新的mask，然后返回舊的umask，只影響讀寫執(zhí)行的權(quán)限

2. 打開

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

int open(const char *pathname, int flags);

pathname默認(rèn)的是當(dāng)前文件夾的下面

文件的打開標(biāo)志：

標(biāo)志	含義
O_RDONLY
O_WRONLY
O_RDWR	rdonly，wronly和rdwr這三個標(biāo)志只能選取其中一個，不能同時存在
O_APPEND
O_CREAT
O_EXEC	如果使用了O_CREAT而且文件已經(jīng)存在，就會發(fā)生一個錯誤
O_NOBLOCK	以非阻塞的方式打開一個文件
O_TRUNC	如果文件已經(jīng)存在，則刪除文件的內(nèi)容

如果使用了mode_t，表示打開時有文件的訪問權(quán)限：

標(biāo)志	含義
S_IRUSR	用戶可以讀
S_IWUSR
S_IXUSR
S_IRGRP	組可以讀
S_IWGRP
S_IXGRP
S_IROTH	其他人可以讀
S_IWOTH
S_IXOTH
S_IRWXO	其他人可以讀寫執(zhí)行
S_ISUID	設(shè)置用戶執(zhí)行ID（set UID）
S_ISGID	設(shè)置組執(zhí)行ID

除了上述宏來表示的產(chǎn)生標(biāo)志之外，我們自己也可以用數(shù)字來表示

文件權(quán)限共5位：從左往右數(shù)第一位用戶ID、第二位組ID、第三位自己的權(quán)限、第四位組權(quán)限、第五位其他人的權(quán)限；

數(shù)字表示1（執(zhí)行權(quán)限）、2（寫權(quán)限）、4（讀權(quán)限）、0（無權(quán)限）

• 例如要創(chuàng)建一個用戶可讀、可寫、可執(zhí)行、但是組沒有權(quán)限，其他人可以讀、可以執(zhí)行的文件，并設(shè)置用戶ID。

  open(filename, O_CREAT, 10 705);

  open(filename, O_CREAT, S_IRWXU|S_IROTH|S_XOTH|S_ISUID);

如果文件打開成功會返回一個文件描述符，以后對于文件的所有操作都可以通過對這個文件描述符進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)。

3. 讀寫

int read(int fd, const void *buf, size_t length);

buf為緩沖區(qū)名稱，length為緩沖區(qū)的大小，單位為字節(jié)，表示在fd中讀取length個字節(jié)寫入buf中，返回的是實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。

int write(int fd, const void *buf, size_t length);

表示從buf中讀取length字節(jié)數(shù)寫入fd中，返回實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)

4. 定位lseek

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

lseek將文件的讀寫指針相對whence移動了offset個字節(jié)，返回文件指針相對于文件開發(fā)的位置

SEEK_SET	相對文件開頭
SEEK_CUR	相對當(dāng)前位置
SEEK_END	相對文件末尾

lseek(fd, 0, SEEK_END) 表示文件的大小

也就是文件指針是從wherece的位置處開始移動，結(jié)果移動了0個位置，指針就停在了whence的位置，而函數(shù)返回值是文件指針相對于文件開頭的位置，因此這個返回值就是文件的長度。

5. 關(guān)閉

int close(int fd);

例如，編寫一個程序，在當(dāng)前目錄下面創(chuàng)建用戶可讀寫文件hello.txt，在其中寫入“hello，software weekly”,關(guān)閉該文件，再次打開該文件，讀取其中的內(nèi)容輸出在屏幕上

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>#define BUFF_SIZE 100int man()
{int ret;char buff[BUFF_SIZE];int fd = open("hello.txt", O_CREAT|O_RDWR, S_IRUSR|S_IWUSR);if(fd){ret = write(fd, "hello,software weekly", strlen(hello,software weekly));if(ret < 0)printf("write failed\n");close(fd);
}else{printf("creat failed\n");
}fd = open("hello.txt", O_RDONLY);ret = read(fd, buff, sizeof(buff));if(ret){printf("read failed\n");close(fd);
}buff[ret] = "\0";printf("%s\n", buff);close(fd);
}

C庫文件操作

1. 創(chuàng)建和打開

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

mode為C庫函數(shù)打開的標(biāo)志：

標(biāo)志	含義
r、rb	讀
r+、r+b	讀寫
w	寫，不存在則創(chuàng)建
w+、w+b	讀寫，不存在則創(chuàng)建
a	追加，不存在則創(chuàng)建
a+、a+b	讀寫且追加，不存在則創(chuàng)建

b為二進(jìn)制文件，在window下面是有區(qū)分的，但是Linux下面則沒有

2. 讀寫

int fgetc(FILE *stream);
int fputc(int c, FILE *stream);
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
int fputs(const char *s, FILE *stream);
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t n, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb,FILE *stream);

fread表示從stream流中讀取n個字段，每個字段大小為size個字節(jié)，將讀取到的數(shù)據(jù)存到ptr中，返回已經(jīng)讀取的字段數(shù)。當(dāng)讀取的字段數(shù)小于n時，可能是在函數(shù)調(diào)用時出現(xiàn)了錯誤，也可能是讀到了文件的末尾。因此要通過調(diào)用feof()和ferror()來判斷。

另外C庫還提供了定位函數(shù)：

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);

3. 關(guān)閉

int fclose(FILE *stream);

例如，編寫一個程序，在當(dāng)前目錄下面創(chuàng)建用戶可讀寫文件hello.txt，在其中寫入“hello,software weekly”,關(guān)閉該文件，再次打開該文件，讀取其中的內(nèi)容輸出在屏幕上

#include <stdio.h>#define BUFF_SIZE 100
int main()
{char buff[BUFF_SIZE];FILE *fd = fopen("hello.txt", w+);if (fd){fputs("hello,software weekly", fd);fclose(fd);
}fd = fopen("hello.txt", r+);if(fd){fgets(buff, sizeof(buff), fd);printf("%s\n", buff); //fgets函數(shù)會默認(rèn)在字符串后面補(bǔ)"\0"fclose(fd);
}
}

Linux文件系統(tǒng)

Linux文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)

linux文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)

Linux文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動

應(yīng)用程序與文件系統(tǒng)直接的接口是系統(tǒng)調(diào)用，文件系統(tǒng)與設(shè)備文件之間的接口是file_operations結(jié)構(gòu)體成員函數(shù)。

由于字符設(shè)備的上層沒有類似于文件系統(tǒng)，所以字符設(shè)備的file_operations成員函數(shù)就直接由設(shè)備驅(qū)動提供了

塊設(shè)備有兩種訪問方法:

• 一種是不通過文件系統(tǒng)直接訪問裸設(shè)備，在Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的def_blk_fops這一file_operations

  類似于”dd if=/dev/sdb1 of=sdb1.img”這一指令是不通過文件系統(tǒng)，直接訪問的驅(qū)動設(shè)備文件

• 第二種是通過文件系統(tǒng)訪問塊設(shè)備，file_operations的實(shí)現(xiàn)則位于文件系統(tǒng)內(nèi)，文件系統(tǒng)會把針對文件的讀寫轉(zhuǎn)換為針對塊設(shè)備原始扇區(qū)的讀寫
  
  在設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計種，一般而言，會關(guān)心file和inode這兩個結(jié)構(gòu)體

file結(jié)構(gòu)體

系統(tǒng)中每個打開的文件在內(nèi)核空間都有一個關(guān)聯(lián)的struct file，在內(nèi)核和驅(qū)動源代碼中，struct file的指針通常被命名為file或者filep

文件結(jié)構(gòu)體struct file中讀寫模式mode、標(biāo)志f_flags都是設(shè)備驅(qū)動關(guān)心得內(nèi)容，而私有指針private_data在設(shè)備驅(qū)動中被廣泛使用大多數(shù)指向設(shè)備驅(qū)動自定義以**用于描述設(shè)備的結(jié)構(gòu)體，**是更高級的文件描述，依賴于低層的struct inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

inode結(jié)構(gòu)體

VFS inode是Linux管理文件系統(tǒng)的最基本的單位，也是文件系統(tǒng)連接任何子目錄，文件的橋梁，只與操作系統(tǒng)相關(guān)，用于保存文件或者目錄信息。

表示設(shè)備文件的inode結(jié)構(gòu)，i_rdev字段包含設(shè)備編號。Linux的設(shè)備編號分為主設(shè)備編號和次設(shè)備編號，前者為dev_t的高12位，后者位dev_t的低20位

unsigned int imajor(struct inode *inode); 獲取主設(shè)備號，主設(shè)備號是驅(qū)動對應(yīng)的概念，同一類設(shè)備一般使用相同的主設(shè)備號，序號一般從0開始

unsigned int imanor(struct inode *inode); 獲取次設(shè)備號

查看 /proc/devices 可以獲知系統(tǒng)中所注冊的設(shè)備

file結(jié)構(gòu)體和inode結(jié)構(gòu)體的區(qū)別

struct inode和struct file的區(qū)別在于inode只關(guān)心操作系統(tǒng)找出底層文件結(jié)構(gòu)的內(nèi)容（例如什么設(shè)備文件），而不去具體的跟蹤文件的當(dāng)前位置和當(dāng)前模式。struct file是個基本結(jié)構(gòu)，實(shí)際上持有一個struct inode的指針，他代表打開的文件，并且提供一組函數(shù)，他們與底層文件結(jié)構(gòu)執(zhí)行方法有關(guān)

也就是說struct inode只代表內(nèi)核中的文件，而struct file表示實(shí)際打開的文件，同一個文件被打開時可能有多個文件描述符，但他們都指向同一個inode。

devfs

devfs（設(shè)備文件系統(tǒng)）是由Linux 2.4內(nèi)核出現(xiàn)的，使得設(shè)備驅(qū)動程序能夠自主地管理自己的設(shè)備文件

1. 可以在程序初始化的時候在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，卸載設(shè)備時將它刪除
2. 設(shè)備驅(qū)動程序可以指定設(shè)備名、所有者和權(quán)限位
3. 不再需要為設(shè)備驅(qū)動程序分配主設(shè)備號以及處理次設(shè)備號，在程序中可以直接給 register_chrdev()傳遞0主設(shè)備號以獲得可用的主設(shè)備號，并在 devfs_register()中指定次設(shè)備號

udev用戶空間設(shè)備管理

• udev是在Linux 2.6的時候被引入，與devfs不同的是，就像談戀愛，udev系統(tǒng)可以使得用戶在上層自由選擇和誰談戀愛，而不能在內(nèi)核空間限制和誰談戀愛。對于devfs而言，第一個相親女孩被命名為/dev/girl0，第二個相親女孩被命名為/dev/girl1。而在用戶空間實(shí)現(xiàn)的udev則可以，不管你中意的女孩是第幾個，只要符合要求，都是/dev/mygirl。
• udev完全工作在用戶態(tài)，利用設(shè)備的熱插拔事件來工作，詳細(xì)的設(shè)備信息會由內(nèi)核通過netlink套接字發(fā)送出來，發(fā)出的事情叫uevent。
• 那冷插拔事件怎么辦呢，設(shè)備當(dāng)主機(jī)開機(jī)時就已經(jīng)存在了，Linux內(nèi)核提供了sysfs下面的一個uevent節(jié)點(diǎn)，往該節(jié)點(diǎn)寫一個”add”，（具體怎么寫我也不是很懂）導(dǎo)致內(nèi)核重新發(fā)送netlink，之后udev就可以收到冷插拔的netlink消息了
• 對于devfs，當(dāng)一個并不存在的/dev節(jié)點(diǎn)被訪問時，系統(tǒng)會自動加載相對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動，而udev卻不是這樣，是在產(chǎn)生熱插拔事件時才會加載相應(yīng)的驅(qū)動，并且創(chuàng)建的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)

sysfs文件系統(tǒng)與Linux設(shè)備模型

udev和sysfs都是Linux系統(tǒng)的一部分，但它們有不同的功能和用途。sysfs是一個虛擬文件系統(tǒng)，用于從用戶空間訪問內(nèi)核對象的屬性。它將內(nèi)核對象的屬性表示為文件和目錄，使得用戶空間的程序能夠通過標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口查詢和更改內(nèi)核對象的屬性。包括展示設(shè)備驅(qū)動模型中各組件的層次關(guān)系。

在/sys/目錄下的頂級目錄：

block	包含所有的塊設(shè)備
devices	包含系統(tǒng)所有的設(shè)備
bus	包含所有的總線類型
class	包含系統(tǒng)中的設(shè)備類型

他們實(shí)際上都會被認(rèn)為是kobject的派生類，一個kobject對應(yīng)sysfs中的一個目錄。

在/sys/bus/pci的目錄下又會出現(xiàn)devices和drivers，而這個devices目錄下的文件是對/sys/devices下的文件的符號鏈接

與此不同，udev是一個設(shè)備管理器，它管理/dev目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。當(dāng)內(nèi)核檢測到新設(shè)備時，它將發(fā)送一個uevent，udev將接收到這個事件并對其進(jìn)行處理。這可能包括加載設(shè)備驅(qū)動，創(chuàng)建或刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn)，甚至更改設(shè)備的權(quán)限和所有權(quán)。udev的工作依賴于sysfs，因?yàn)樗褂胹ysfs提供的信息來確定如何處理設(shè)備。

總的來說，sysfs是一個提供有關(guān)內(nèi)核對象的信息的接口，而udev則使用這些信息來管理設(shè)備。就好比udev是做飯的方法，而sys是菜和米飯

• 在Linux內(nèi)核中，分別使用bus_type、device_driver和device來描述總線、驅(qū)動和設(shè)備，這三個結(jié)構(gòu)體定義在include/linux/device.h中

  1. device_driver和device分別代表驅(qū)動和設(shè)備，他們都會掛載在總線上面，因此結(jié)構(gòu)體中也都包含struct bus_type指針
  2. 驅(qū)動和設(shè)備注冊的時候不需要都存在，注冊設(shè)備時不需要對應(yīng)的驅(qū)動被注冊，注冊驅(qū)動時不需要對應(yīng)的設(shè)備被注冊，而都注冊之后，又如何連接起來呢
  3. 通過bus_type結(jié)構(gòu)體的match()成員將兩者捆綁在一起，一旦捆綁成功bus_driver的probe()就被執(zhí)行
  4. 驅(qū)動、設(shè)備、總線的attribute都會落實(shí)為sys中的一個文件，會伴隨著show()和store()這兩個函數(shù)進(jìn)行讀寫操作
  5. sysfs中的目錄來源于device、device_driver、bus_type，而目錄中的文件就來源于attribute
  6. 定義了一些快捷方式以方便attribute的創(chuàng)建工作

  #define DRIVER_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR(_name, _
  mode, _show, _store)
  #define DRIVER_ATTR_RW(_name) \struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)
  #define DRIVER_ATTR_RO(_name) \struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RO(_name)
  #define DRIVER_ATTR_WO(_name) \struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_WO(_name)#define BUS_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _
  store)
  #define BUS_ATTR_RW(_name) \struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)
  #define BUS_ATTR_RO(_name) \struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR_RO(_name)#define DEVICE_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
  #define DEVICE_ATTR_RW(_name) \struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)
  #define DEVICE_ATTR_RO(_name) \struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR_RO(_name)
  #define DEVICE_ATTR_WO(_name) \struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR_WO(_name)
  #define DEVICE_ULONG_ATTR(_name, _mode, _var) \struct dev_ext_attribute dev_attr_##_name = \{ __ATTR(_name, _mode, device_show_ulong, device_store_ulong), &(_var) }
  #define DEVICE_INT_ATTR(_name, _mode, _var) \struct dev_ext_attribute dev_attr_##_name = \{ __ATTR(_name, _mode, device_show_int, device_store_int), &(_var) }
  #define DEVICE_BOOL_ATTR(_name, _mode, _var) \struct dev_ext_attribute dev_attr_##_name = \{ __ATTR(_name, _mode, device_show_bool, device_store_bool), &(_var) }
  #define DEVICE_ATTR_IGNORE_LOCKDEP(_name, _mode, _show, _store) \struct device_attribute dev_attr_##_name =		\__ATTR_IGNORE_LOCKDEP(_name, _mode, _show, _store)
  

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