linux下系统调用write过程

      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。                  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。