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(jì)思想，驅(qū)動(dòng)通過(guò)文件操作相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和C庫(kù)函數(shù)（本質(zhì)也屬于系統(tǒng)調(diào)用）被訪問(wèn)，其次驅(qū)動(dòng)工程師在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中不可避免會(huì)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(shí)。

Linux文件操作

文件操作系統(tǒng)調(diào)用

涉及到創(chuàng)建打開(kāi)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(shí)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(xiě)執(zhí)行的權(quán)限

2. 打開(kāi)

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(kāi)標(biāo)志：

標(biāo)志	含義
O_RDONLY
O_WRONLY
O_RDWR	rdonly，wronly和rdwr這三個(gè)標(biāo)志只能選取其中一個(gè)，不能同時(shí)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(huì)發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤
O_NOBLOCK	以非阻塞的方式打開(kāi)一個(gè)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(kāi)時(shí)有文件的訪問(wèn)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(xiě)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(lái)表示的產(chǎn)生標(biāo)志之外，我們自己也可以用數(shù)字來(lái)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(xiě)權(quán)限）、4（讀權(quán)限）、0（無(wú)權(quán)限）

• 例如要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)用戶可讀、可寫(xiě)、可執(zhí)行、但是組沒(méi)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(kāi)成功會(huì)返回一個(gè)文件描述符，以后對(duì)于文件的所有操作都可以通過(guò)對(duì)這個(gè)文件描述符進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3. 讀寫(xiě)

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(gè)字節(jié)寫(xiě)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(xiě)入fd中，返回實(shí)際寫(xiě)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(xiě)指針相對(duì)whence移動(dòng)了offset個(gè)字節(jié)，返回文件指針相對(duì)于文件開(kāi)發(fā)的位置

SEEK_SET	相對(duì)文件開(kāi)頭
SEEK_CUR	相對(duì)當(dāng)前位置
SEEK_END	相對(duì)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(kāi)始移動(dòng)，結(jié)果移動(dòng)了0個(gè)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(duì)于文件開(kāi)頭的位置，因此這個(gè)返回值就是文件的長(zhǎng)度。

5. 關(guān)閉

int close(int fd);

例如，編寫(xiě)一個(gè)程序，在當(dāng)前目錄下面創(chuàng)建用戶可讀寫(xiě)文件hello.txt，在其中寫(xiě)入“hello，software weekly”,關(guān)閉該文件，再次打開(kāi)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(kù)文件操作

1. 創(chuàng)建和打開(kāi)

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

mode為C庫(kù)函數(shù)打開(kāi)的標(biāo)志：

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

2. 讀寫(xiě)

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(gè)字段，每個(gè)字段大小為size個(gè)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(shí)，可能是在函數(shù)調(diào)用時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，也可能是讀到了文件的末尾。因此要通過(guò)調(diào)用feof()和ferror()來(lái)判斷。

另外C庫(kù)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(xiě)一個(gè)程序，在當(dāng)前目錄下面創(chuàng)建用戶可讀寫(xiě)文件hello.txt，在其中寫(xiě)入“hello,software weekly”,關(guān)閉該文件，再次打開(kāi)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(huì)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(dòng)

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(méi)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(dòng)提供了

塊設(shè)備有兩種訪問(wèn)方法:

• 一種是不通過(guò)文件系統(tǒng)直接訪問(wèn)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(guò)文件系統(tǒng)，直接訪問(wèn)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備文件

• 第二種是通過(guò)文件系統(tǒng)訪問(wèn)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(huì)把針對(duì)文件的讀寫(xiě)轉(zhuǎn)換為針對(duì)塊設(shè)備原始扇區(qū)的讀寫(xiě)
  
  在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)種，一般而言，會(huì)關(guān)心file和inode這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體

file結(jié)構(gòu)體

系統(tǒng)中每個(gè)打開(kāi)的文件在內(nèi)核空間都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的struct file，在內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)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(xiě)模式mode、標(biāo)志f_flags都是設(shè)備驅(qū)動(dòng)關(guān)心得內(nèi)容，而私有指針private_data在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中被廣泛使用大多數(shù)指向設(shè)備驅(qū)動(dòng)自定義以**用于描述設(shè)備的結(jié)構(gòu)體，**是更高級(jí)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(hào)。Linux的設(shè)備編號(hào)分為主設(shè)備編號(hào)和次設(shè)備編號(hào)，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(hào)，主設(shè)備號(hào)是驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的概念，同一類設(shè)備一般使用相同的主設(shè)備號(hào)，序號(hào)一般從0開(kāi)始

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

查看 /proc/devices 可以獲知系統(tǒng)中所注冊(cè)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(gè)基本結(jié)構(gòu)，實(shí)際上持有一個(gè)struct inode的指針，他代表打開(kāi)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(shuō)struct inode只代表內(nèi)核中的文件，而struct file表示實(shí)際打開(kāi)的文件，同一個(gè)文件被打開(kāi)時(shí)可能有多個(gè)文件描述符，但他們都指向同一個(gè)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(dòng)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(shí)候在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，卸載設(shè)備時(shí)將它刪除
2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序分配主設(shè)備號(hào)以及處理次設(shè)備號(hào)，在程序中可以直接給 register_chrdev()傳遞0主設(shè)備號(hào)以獲得可用的主設(shè)備號(hào)，并在 devfs_register()中指定次設(shè)備號(hào)

udev用戶空間設(shè)備管理

• udev是在Linux 2.6的時(shí)候被引入，與devfs不同的是，就像談戀愛(ài)，udev系統(tǒng)可以使得用戶在上層自由選擇和誰(shuí)談戀愛(ài)，而不能在內(nèi)核空間限制和誰(shuí)談戀愛(ài)。對(duì)于devfs而言，第一個(gè)相親女孩被命名為/dev/girl0，第二個(gè)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(gè)，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(lái)工作，詳細(xì)的設(shè)備信息會(huì)由內(nèi)核通過(guò)netlink套接字發(fā)送出來(lái)，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(kāi)機(jī)時(shí)就已經(jīng)存在了，Linux內(nèi)核提供了sysfs下面的一個(gè)uevent節(jié)點(diǎn)，往該節(jié)點(diǎn)寫(xiě)一個(gè)”add”，（具體怎么寫(xiě)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(duì)于devfs，當(dāng)一個(gè)并不存在的/dev節(jié)點(diǎn)被訪問(wèn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載相對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而udev卻不是這樣，是在產(chǎn)生熱插拔事件時(shí)才會(huì)加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，并且創(chuàng)建的對(duì)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(gè)虛擬文件系統(tǒng)，用于從用戶空間訪問(wèn)內(nèi)核對(duì)象的屬性。它將內(nèi)核對(duì)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口查詢和更改內(nèi)核對(duì)象的屬性。包括展示設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型中各組件的層次關(guān)系。

在/sys/目錄下的頂級(jí)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(huì)被認(rèn)為是kobject的派生類，一個(gè)kobject對(duì)應(yīng)sysfs中的一個(gè)目錄。

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

與此不同，udev是一個(gè)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(cè)到新設(shè)備時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)uevent，udev將接收到這個(gè)事件并對(duì)其進(jìn)行處理。這可能包括加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)，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(lái)確定如何處理設(shè)備。

總的來(lái)說(shuō)，sysfs是一個(gè)提供有關(guān)內(nèi)核對(duì)象的信息的接口，而udev則使用這些信息來(lái)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(lái)描述總線、驅(qū)動(dòng)和設(shè)備，這三個(gè)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(dòng)和設(shè)備，他們都會(huì)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(dòng)和設(shè)備注冊(cè)的時(shí)候不需要都存在，注冊(cè)設(shè)備時(shí)不需要對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)被注冊(cè)，注冊(cè)驅(qū)動(dòng)時(shí)不需要對(duì)應(yīng)的設(shè)備被注冊(cè)，而都注冊(cè)之后，又如何連接起來(lái)呢
  3. 通過(guò)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(dòng)、設(shè)備、總線的attribute都會(huì)落實(shí)為sys中的一個(gè)文件，會(huì)伴隨著show()和store()這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作
  5. sysfs中的目錄來(lái)源于device、device_driver、bus_type，而目錄中的文件就來(lái)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)
  

  撰寫(xiě)不易，留下您的關(guān)注和點(diǎn)贊，我們一起進(jìn)步！