write的奥秘(转)

在Linux下我们在使用设备的时候，都会用到write这个函数，通过这个函数我们可以象使
用文件那样向设备传送数据。可是为什么用户使用write函数就可以把数据写到设备里面
去，这个过程到底是怎么实现的呢？

这个奥秘就在于设备驱动程序的write实现中，这里我结合一些源代码来解释如何使得一
个简简单单的write函数能够完成向设备里面写数据的复杂过程。

这里的源代码主要来自两个地方。第一是oreilly出版的《Linux device driver》中的
实例，第二是Linux Kernel 2.2.14核心源代码。我只列出了其中相关部分的内容，如果
读者有兴趣，也可以查阅其它源代码。不过我不是在讲解如何编写设备驱动程序，所以不
会对每一个细节都进行说明，再说有些地方我觉得自己还没有吃透。

由于《Linux device driver》一书中的例子对于我们还是复杂了一些，我将其中的一个
例程简化了一下。这个驱动程序支持这样一个设备：核心空间中的一个长度为10的数组
kbuf[10]。我们可以通过用户程序open它，read它，write它，close它。这个设备的名
字我称为short_t。

现在言归正传。
对于一个设备，它可以在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式
存在，但它不是普通意义上的文件，它是设备文件，更确切的说，它是设备节点。这个节
点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明了某一类设
备，一般对应着确定的驱动程序；次设备号一般是区分是标明不同属性，例如不同的使用
方法，不同的位置，不同的操作。这个设备号是从/proc/devices文件中获得的，所以一
般是先有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号（特指主设备号）的主
要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的，当你打开一
个设备文件时，操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序是哪一个了。这个"知道"
的过程后面就讲。

我们再说说驱动程序的基本结构吧。这里我只介绍动态模块型驱动程序（就是我们使用
insmod加载到核心中并使用rmmod卸载的那种），因为我只熟悉这种结构。
模块化的驱动程序由两个函数是固定的：int init_module(void) ；void
cleanup_module(void)。前者在insmod的时候执行，后者在rmmod的时候执行。
init_nodule在执行的时候，进行一些驱动程序初始化的工作，其中最主要的工作有三
件：注册设备；申请I/O端口地址范围；申请中断IRQ。这里和我们想知道的事情相关的只
有注册设备。

下面是一个典型的init_module函数：

int init_module(void){
int result = check_region(short_base,1)；/* 察看端口地址*/
……
request_region(short_base,1,"short"); /* 申请端口地址*/
……
result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); /* 注册设备
*/
……
result = request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short",
NULL); /* 申请IRQ */
……
return 0;
}/* init_module*/

上面这个函数我只保留了最重要的部分，其中最重要的函数是
result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops);
这是一个驱动程序的精髓所在！！当你执行indmod命令时，这个函数可以完成三件大事：
第一，申请主设备号(short_major)，或者指定，或者动态分配；第二，在内核中注册设
备的名字("short")；第三，指定fops方法(&short_fops)。其中所指定的fops方法就是
我们对设备进行操作的方法（例如read,write,seek,dir,open,release等），如何实现
这些方法，是编写设备驱动程序大部分工作量所在。

现在我们就要接触关键部分了--如何实现fops方法。
我们都知道，每一个文件都有一个file的结构，在这个结构中有一个file_operations的
结构体，这个结构体指明了能够对该文件进行的操作。

下面是一个典型的file_operations结构：
struct file_operations {
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned
long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*check_media_change) (kdev_t dev);
int (*revalidate) (kdev_t dev);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
};

我们可以看到它实际上就是许多文件操作的函数指针，其中就有write，其它的我们就不
去管它了。这个write指针在实际的驱动程序中会以程序员所实现的函数名字出现，它指
向程序员实现的设备write操作函数。下面就是一个实际的例子，这个write函数可以向核
心内存的一个数组里输入一个字符串。

int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf,
int count){
int retval = count;
extern unsigned char kbuf[10];

if(count>10)
count=10;
copy_from_user(kbuf, buf, count);
return retval;
}/* short_write */
设备short_t对应的fops方法是这样声明的：
struct file_operations short_fops = {
NULL, /* short_lseek */
short_read,
short_write,
NULL, /* short_readdir */
NULL, /* short_poll */
NULL, /* short_ioctl */
NULL, /* short_mmap */
short_open,
short_release,
NULL, /* short_fsync */
NULL, /* short_fasync */
/* nothing more, fill with NULLs */
};

其中NULL的项目就是不提供这个功能。所以我们可以看出short_t设备只提供了
read,write,open,release功能。其中write功能我们在上面已经实现了，具体的实现函
数起名为short_write。这些函数就是真正对设备进行操作的函数，这就是驱动程序的一
大好处：不管你实现的时候是多么的复杂，但对用户来看，就是那些常用的文件操作函数。

但是我们可以看到，驱动程序里的write函数有四个参数，函数格式如下：
short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count)
而用户程序中的write函数只有三个参数，函数格式如下：
write(inf fd, char *buf, int count)
那他们两个是怎么联系在一起的呢？这就要靠操作系统核心中的函数sys_write了，下面
是Linux Kernel 2.2.14中sys_write中的源代码：
asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count)
{
ssize_t ret;
struct file * file;
struct inode * inode;
ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); /* 指向
驱动程序中的wirte函数的指针*/

lock_kernel();
ret = -EBADF;
file = fget(fd); /* 通过文件描述符得到文件指针 */
if (!file)
goto bad_file;
if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))
goto out;
inode = file->f_dentry->d_inode; /* 得到inode信息 */
ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos,
count);
if (ret)
goto out;
ret = -EINVAL;
if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) /* 将函数开始时声明的
write函数指针指向fops方法中对应的write函数 */
goto out;
down(&inode->i_sem);
ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); /* 使用驱动程序中的write函数
将数据输入设备，注意看，这里就是四个参数了 */
up(&inode->i_sem);
out:
fput(file);
bad_file:
unlock_kernel();
return ret;
}

我写了一个简单的程序来测试这个驱动程序，该程序源代码节选如下（该省的我都省了）：

main(){
int fd,count=0;
unsigned char buf[10];
fd=open("/dev/short_t",O_RDWR);
printf("input string:");
scanf("%s",buf);
count=strlen(buf);
if(count>10)
count=10;
count=write(fd,buf,count);
close(fd);
return 1;
}

现在我们就演示一下用户使用write函数将数据写到设备里面这个过程到底是怎么实现的：
1，insmod驱动程序。驱动程序申请设备名和主设备号，这些可以在/proc/devieces中获得。
2，从/proc/devices中获得主设备号，并使用mknod命令建立设备节点文件。这是通过主
设备号将设备节点文件和设备驱动程序联系在一起。设备节点文件中的file属性中指明了
驱动程序中fops方法实现的函数指针。
3，用户程序使用open打开设备节点文件，这时操作系统内核知道该驱动程序工作了，就
调用fops方法中的open函数进行相应的工作。open方法一般返回的是文件标示符，实际
上并不是直接对它进行操作的，而是有操作系统的系统调用在背后工作。
4，当用户使用write函数操作设备文件时，操作系统调用sys_write函数，该函数首先通
过文件标示符得到设备节点文件对应的inode指针和flip指针。inode指针中有设备号信
息，能够告诉操作系统应该使用哪一个设备驱动程序，flip指针中有fops信息，可以告诉
操作系统相应的fops方法函数在那里可以找到。
5，然后这时sys_write才会调用驱动程序中的write方法来对设备进行写的操作。
其中1-3都是在用户空间进行的，4-5是在核心空间进行的。用户的write函数和操作系统
的write函数通过系统调用sys_write联系在了一起。
注意：
对于块设备来说，还存在写的模式的问题，这应该是由GNU C库来解决的，这里不予讨
论，因为我没有看过GNU C库的源代码。
另外，这是一个测试版的文章，请各位朋友们多提意见和建议，非常感谢！