linux设备驱动归纳总结(三):3.设备驱动面向对象思想和lseek的实现 一、结构体struct file和struct inode 在之前写的函数,全部是定义了一些零散的全局变量。有没有办法整合成到一个结构体当中?这样的话,看起来和用起来都比较方便。接下来就要说这方面的问题。 不过先要介绍一下除了fops以外的两个比较重要的结构体: 1)struct file 在内核中,file结构体是用来维护打开的文件的。每打开一次文件,内核空间里就 会多增加一个file来维护,当文件关闭是释放。 所以,在内核中可以存在同一个文件的多个file,因为该文件被应用程序打开被打 开。 在struct file中有几个重要的成员: 1)loff_t f_pos; 这是用来记录文件的偏移量。在应用程序中,打开文件时偏移量为0,每次的读写操作都会使偏移量增加。 从这个原因可以看出为什么每打开一次文件就新建一个file结构体了。不然的话,每个打开文件的读写操作都修改同一个偏移量,那读写岂不是乱套了吗? 2)void *private_data; 这是空类型的指针可以用于存放任何数据,我会用这个指针来存放待会要定义的结构体指针。 回想一下,文件操作结构体fops中所有的函数成员里面都有一个参数是file结构体,所以每个函数都可以在file->private_data中拿到我自己定义的结构体了。 3)struct file_operations *fops; 打开文件后,内核会把fops存放在这里,以后的操作就在这里在这里找函数了。 2)struct inode 这个结构体是用来保存一个文件的基本信息的结构体,即使打开多个相同的文件,也只会有一个对应的inode。 它也有两个常用的成员: 1)dev_t i_rdev; 这里存放着这个文件的设备号。 2)struct cdev *i_cdev; 这个结构体很熟悉吧,这就是注册设备时用的cdev就存在这。这个结构体的用处现在我还不好说,待会看程序就知道了。 二、面向对象的思想 接下来就封装一下之前程序的数据类型吧: 18 struct _test_t{ 19 char kbuf[DEV_SIZE]; //这里存放数据 20 unsigned int major; //这里存放主设备号 21 unsigned int minor; //这里存放次设备号 22 unsigned int cur_size; //这里存放当前的kbuf的大小 23 dev_t devno; //这里存放设备号 24 struct cdev test_cdev; //这里存放cdev结构体 25 }; 定义了这样的一个结构体后,在操作函数中怎么拿到这个结构体的指针呢? 先来个函数: #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) 使用: 已知一个结构体里面一个成员的指针ptr,同时,这个成员也是另外一个结构体类型中的一个成员,这个结构体的类型是type,而这个成员以member这个名字命名。就可以通过这个函数找到指向类型是type的结构体的指针。 返回值: 返回值就是指向type结构体类型的数据的指针。 如:现在定义这样的两个结构体: struct A { int *xiaobai_a; }; struct B { int xiaobai_b; }; struct A a; 在遥远的另一处有这样的定义:struct B b; 并且,a.xiaobai_a = &b.xiaobai_b; 这样,在不知道b只知道a的情况下也可以找到b的位置: struct B *bb = container_of(a.xiaobai_a, struct B, xiaobai_b); 估计被上面的解释说晕了吧。我还是举个例比较方便: 虽然一个函数不值得说这么久,但是我觉得这种思想很不错,内核中很多时候都用到这个函数,如在内核链表中。 来个邪恶的例子名字——老板与小秘:
老板他请了个年轻的小秘,他就跟客户说:“我电话号码经常换,你记着我小秘的电话,想找我嘛,找我小秘就可以了!” 于是,客户想找老板了,就打通小秘的电话,说:“我知道你是秘书小红,我想找你老板小黑,麻烦给他的电话号码我。” 这样,客户就拿到了老板最新的电话号码了。 想象老板和客户是个结构体,秘书和他的电话号码是个各自成员,电话号码想象成指针: 老板的电话 = container_of(秘书的电话, 老板,小秘) 说了半天还没进入正题,这个函数用在哪里呢?谁当小秘呢? 就是那个说了半天都不知道能做什么还经常出现的struct cdev! 而我把cdev添加到了我自己建的结构体struct _test_t中,所哟struct _test_t就是老板! 而struct inode就是客户了,因为它的成员里面有小秘的电话号码:struct cdev *i_cdev; 所以,如果想得到_test_t,只要调用这个函数就行了。 下面看一下改良后的open函数 27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp) 28 { 29 struct _test_t *dev; 30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev); 31 filp->private_data = dev; 32 return 0; 33 } 上面还有一句,将获得的结构体指针存放到filp的private_data中。 这是因为,struct file_operations中的每个函数的第一个参数就是struct file,只要有file,每个函数都可以从private_data中得到数据了。相反,struct inode这个参数并不是file_operations中所有的函数都有。 下面贴上部分代码:1st/test.c 18 struct _test_t{ 19 char kbuf[DEV_SIZE]; 20 unsigned int major; 21 unsigned int minor; 22 unsigned int cur_size; 23 dev_t devno; 24 struct cdev test_cdev; 25 }; 26 27 int test_open(struct inode *node, struct file *filp) 28 {/*open操作需要给把拿到的结构体指针赋值给private_data*/ 29 struct _test_t *dev; 30 dev = container_of(node->i_cdev, struct _test_t, test_cdev); 31 filp->private_data = dev; 32 return 0; 33 } 34 35 int test_close(struct inode *node, struct file *filp) 36 { 37 return 0; 38 } 39 40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) 41 { 42 int ret; 43 struct _test_t *dev = filp->private_data; 44 45 if(!dev->cur_size){ 46 return 0; 47 } 48 49 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){ 50 ret = - EFAULT; 51 }else{/*read函数成功读取后要修改cur_size*/ 52 ret = count; 53 dev->cur_size -= count; 54 } 55 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size); 56 57 return ret; 58 } 59 60 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) 61 { 62 int ret; 63 struct _test_t *dev = filp->private_data; 64 65 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){ 66 ret = - EFAULT; 67 }else{/*write函数成功写入后也要修改cur_size*/ 68 ret = count; 69 dev->cur_size += count; 70 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf); 71 P_DEBUG("cur_size:[%d]\n", dev->cur_size); 72 } 73 74 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 75 } 上面的程序其实就多了比上一个程序多了三步: 1)封装了一个结构体。 2)open函数要获得结构体并存放到private_data中。 3)read和write函数成功后要更新cur_size这个值。 这样,一个像样点的程序出来了,写个应用程序验证一下: 1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/stat.h> 4 #include <fcntl.h> 5 6 int main(void) 7 { 8 char buf[20]; 9 int fd; 10 fd = open("/dev/test", O_RDWR); 11 if(fd < 0) 12 { 13 perror("open"); 14 return -1; 15 } 16 17 read(fd, buf, 10); 18 printf("<app>buf is [%s]\n", buf); 19 20 write(fd, "xiao bai", 10); 21 22 read(fd, buf, 10); 23 printf("<app>buf is [%s]\n", buf); 24 25 close(fd); 26 return 0; 27 } 运行一下: [root: 1st]# insmod test.ko major[253] minor[0] hello kernel [root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0 [root: 1st]# ./app <app>buf is [] //第一次读取时cur_size==0,没数据就会返回 <kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai] //成功写入 <kernel>[test_write]cur_size:[10] //更新cur_size <kernel>[test_read]cur_size:[0] //read读取成功,跟新cur_size <app>buf is [xiao bai] //应用程序返回读到的内容 [root: 1st]# 三、read、write的改进 上面的函数还是不完善的,想象一下,平时的read、write函数会增加偏移量,但上面的函数是不会的。这是因为还有一个参数我没用上,就是"loff_t offset"。 "loff_t offset"这个参数是内核在调用函数时,从"struct file"的成员"f_ops"拿到指针并当作参数传入。这样的做法让用户不用再从"struct file"提取成员,直接拿参数用就行了! 通过这个参数,我们就可以改进并且实现三个函数: 1test_read:当应用程序调用read时内核会调用test_read。读取数据的同时,偏移量会增加。 2test_write:当应用程序调用write时内核会调用test_write。写入数据的同时,偏移量也会增加。 3test_llseek:这是跟应用程序的lseek对应的,用来修改偏移量的位置。 有了上面的三个函数的功能,这样才算是个像样的函数! 先改进一下read、write函数 40 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) 41 { 42 int ret; 43 struct _test_t *dev = filp->private_data; 44 45 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量 46 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0,表示读取0个数据成功 47 } //count不为0则分会错误号,地址越界 48 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量 49 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。 50 } 51 /*copy_to_user的参数也要改一下*/ 52 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf + *offset, count)){ 53 ret = - EFAULT; 54 }else{ 55 ret = count; 56 dev->cur_size -= count; //读取后数组的字节数减少 57 *offset += count; //偏移量增加 58 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size); 59 } 60 61 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 62 } 63 64 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) 65 { 66 int ret; 67 struct _test_t *dev = filp->private_data; 68 /*copy_from_user的参数也要改一下*/ 69 if(*offset >= DEV_SIZE){//如果偏移量已经超过了数组的容量 70 return count ? - ENXIO : 0; //count为0则返回0,表示读取0个数据成功 71 } //count不为0则分会错误号,地址越界 72 if(*offset + count > DEV_SIZE){ //如果读取字节数超过了最大偏移量 73 count = DEV_SIZE - *offset; //则减少读取字节数。 74 } 75 76 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){ 77 ret = - EFAULT; 78 }else{ 79 ret = count; 80 dev->cur_size += count; //写入后数组的字节数增加 81 *offset += count; //偏移量增加 82 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size); 83 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf); 84 } 85 86 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号 87 } 话说得好,越是需要检测出错,代码就会几何级增加,如果不想看这么多代码,把这两个函数前面的两个if(45-50、69-74)都删掉!反正写应用程序的时候小心翼翼一点就好了。这个程序只是为了验证"offset"的作用。 再来个小心翼翼的应用程序: 1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/stat.h> 4 #include <fcntl.h> 5 6 int main(void) 7 { 8 char buf[20]; 9 int fd; 10 fd = open("/dev/test", O_RDWR); 11 if(fd < 0) 12 { 13 perror("open"); 14 return -1; 15 } 16 17 write(fd, "xiao bai", 10); 18 19 read(fd, buf, 10); 20 printf("<app>buf is [%s]\n", buf); 21 22 close(fd); 23 return 0; 24 } 验证一下: [root: 2nd]# insmod test.ko major[253] minor[0] hello kernel [root: 2nd]# mknod /dev/test c 253 0 [root: 2nd]# ./app <kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]//写入 <kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai] <kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]//但读不出,因为偏移量增加 <app>buf is [] 上面的read函数根本读不出数据,这是因为偏移量增加了。这个时候需要一个函数来把偏移量移到开头,lseek函数就用上场了。下面就讲一下。 四、lseek函数的实现 应用层的函数lseek函数对应驱动的函数是llseek(为什么多了一个l我也想不懂)。 内核驱动:loff_t (*llseek) (struct file * filp, loff_t offset, int whence); 对应应用层:off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence); 使用: 一看参数就知道,这两个函数的第二和第三个参数就是对应的,当应用层调用函数时,对应的参数就会让内核传给驱动的函数llseek。 参数: offset:一看这个参数不是指针,就知道和read、write的参数不一样。这是应用层传来的参数,并不是"struct file"的偏移量"f_ops"。 whence:这个也跟应用层的参数一样,指定从哪个位置开始偏移。 从开头位置:#define SEEK_SET 0 从当前位置:#define SEEK_CUR 1 从文件末端:#define SEEK_END 2 返回值:成功返回当前的更新的偏移量,失败返回错误号,而应用层会返回-1。 下面来个程序:/3rd_char/3rd_char_3/3rd/test.c /*test_llseek*/ 89 loff_t test_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence) 90 { 91 loff_t new_pos; //新偏移量 92 loff_t old_pos = filp->f_pos; //旧偏移量 93 94 switch(whence){ 95 case SEEK_SET: 96 new_pos = offset; 97 break; 98 case SEEK_CUR: 99 new_pos = old_pos + offset; 100 break; 101 case SEEK_END: 102 new_pos = DEV_SIZE + offset; 103 break; 104 default: 105 P_DEBUG("unknow whence\n"); 106 return - EINVAL; 107 } 108 109 if(new_pos < 0 || new_pos > DEV_SIZE){ //如果偏移量越界,返回错误号 110 P_DEBUG("f_pos failed\n"); 111 return - EINVAL; 112 } 113 114 filp->f_pos = new_pos; 115 return new_pos; //正确返回新的偏移量 116 } 再来个应用程序:/3rd_char/3rd_char_3/3rd/app.c 1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/stat.h> 4 #include <fcntl.h> 5 6 int main(void) 7 { 8 char buf[20]; 9 int fd; 10 int ret; 11 12 fd = open("/dev/test", O_RDWR); 13 if(fd < 0) 14 { 15 perror("open"); 16 return -1; 17 } 18 19 write(fd, "xiao bai", 10); 20 /*让偏移量移至开头,这样才能读取数据*/ 21 ret = lseek(fd, 0, SEEK_SET); 22 23 read(fd, buf, 10); 24 printf("<app>buf is [%s]\n", buf); 25 26 close(fd); 27 return 0; 28 } 验证一下: [root: 2nd]# ./app <kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10] <kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai] <kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //读到数据了! <app>buf is [xiao bai] //读到数据了! 五、总结 拉风的时序图我就不画了。 上面讲的东西不多: 1)container_of的使用 2)怎么使用偏移量"filp->f_ops"。 3)llseek的编写。 ========================================================= 源代码: 3rd_char_3.rar |
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