Linux系统调用过程详解：应用程序调用驱动过程

Linux下应用程序调用驱动程序过程：

（1）加载一个驱动模块(.ko)，产生一个设备文件，有唯一对应的inode结构体

a、每个设备文件都有一个对应的’inode‘结构体，包含了设备的主次设备号，是设备的唯一标识。

b、驱动加载至内核，初始化时通常会调用’register_chrdev()‘或’register_blkdev()‘（字符设备和块设备），注册设备号和关联文件操作file_operation。

c、有了设备号后，用class_create()和 device_create()创建设备文件，device_create()该函数需要一个有效设备号

d、当设备文件创建后，文件系统会为其创建和初始化一个’inode‘结构体，包含文件类型、权限、所有者信息以及重要的设备号

（2）应用层调用open函数打开设备文件（该函数是在应用层中写好的），对于上层open调用到内核时，发生一次软中断，从用户空间进入到内核空间。

（3）open会调用到sys_open(内核系统调用函数)，sys_open根据文件的地址(文件的路径)，找到设备文件对应的struct inode结构体描述的信息，得知要操作的设备类型（字符设备还是块设备），还会分配一个struct file结构体。

sys_open:

内核级的系统调用函数，用于打开文件和设备。系统调用是用户空间和内核空间之间的接口，通过系统调用可从用户态切换至内核态。

sys_open函数的基本操作：

a、解析用户提供的文件名，确定文件位置和权限（通常为文件的路径名，如/dev/设备名）

b、检查文件访问权限

c、分配并初始化一个文件描述符（对该文件操作的引用，非负的整数，是该文件表条目在文件表中的索引）

d、将文件描述符返回给用户空间

struct file：
- 内核中的重要结构体，表示一个已打开的文件（信息）。
- 包含相关的文件状态信息，如当前偏移量、文件操作指针file_operation（包含对文件读写的操作函数指针）、'inode'结构体指针
- 由sys_open创建，内核为打开的文件创建一个新的'struct file'实例

（4）根据struct inode结构体内记录的主次设备号，在驱动链表（管理所有设备驱动）里面，找到字符设备驱动。

这一步也是后续为了给创建的file结构体内的f_ops成员，文件操作指针赋值

驱动链表：
- Linux内核中用于管理设备驱动的关键数据结构，是一个链表或哈希表结构，其中包含了所有注册的设备驱动。
- 字符设备的驱动链表中，每个成员（设备）确实是通过 struct cdev 结构体来表示的。
- 字符设备驱动通过调用 cdev_add() 函数将自己的 cdev 结构体添加到内核的设备表中（这通常是在调用 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 注册设备号之后进行的。

（5）每个字符设备都有一个struct cdev结构体。描述了字符设备的所有信息，其中最重要的一项是字符设备的操作函数接口。

（6）找到struct cdev结构体后，linux内核就会将struct cdev结构体所在内存空间首地址记录在struct inode结构体i_cdev成员中，将struct cdev结构体中记录的函数操作接口地址记录在strct file结构体的f_ops成员中。

（7）执行xxx_open驱动函数。

流程架构参考自：最全Linux驱动开发全流程详细解析（持续更新）-CSDN博客

inode结构体组成

变量赋值的来源

这些变量的值大多是由文件系统、内核的设备管理子系统，或驱动自身在注册设备时设置的。

例如：

i_mode(文件模式)：通常由驱动设置以标识设备文件的类型（字符设备或块设备）
i_rdev(实际设备ID)：包含主设备号和次设备号（高12位和低20位），由register_chrdev()或register_blkdev()设置

文件系统中对于'inode'：

在创建和管理'inode'结构体中起到核心作用，当一个文件系统被挂载时，它会初始化其管理的所有 inode，并负责管理它们的生命周期。文件系统会定义自己的'inode'操作方法（'inode_operation'结构体，也是inode结构体的成员变量）,包括：

a、创建 (create)：当新文件被创建时，文件系统会分配和初始化一个 inode 结构体。这包括设置文件类型、权限、所有者等。

b、查找 (lookup)：在访问文件时，文件系统需要通过路径查找相应的 inode。

c、删除 (delete)：当文件被删除时，文件系统负责清理 inode 结构体，并可能将其空间释放回 inode 缓存。

文件描述符：
用于访问文件和设备的一个抽象表示。文件描述符本质上是一个非负整数，当一个程序打开一个文件（包括设备文件）时，操作系统返回的文件描述符作为未来所有对该文件的操作的引用。

文件描述符的形式和功能

形式：文件描述符是一个简单的整数值。在一个进程的上下文中，每打开一个文件或设备，内核就会分配最低未被使用的文件描述符。
功能：文件描述符提供了一个通用的方法来引用所有类型的文件，无论它们是普通的磁盘文件、目录、链接还是设备（如键盘、硬盘、网络设备等）。

文件描述符的操作

当一个文件或设备被打开时，内核会创建一个文件表条目。文件描述符就是这个文件表条目在文件表中的索引。

文件表条目包括：文件位置、当前偏移量、访问权限、指向具体文件操作的指针等。

基于文件描述符的标准操作：

a、打开操作open(pathname, flags, ... ):打开一个已存在的文件或创建一个新文件，并返回一个文件描述符

b、读操作 (read(fd, buffer, size))：从由 fd 指定的文件或设备中读取数据。

c、写操作 (write(fd, buffer, size))：向由 fd 指定的文件或设备写入数据。

d、输入输出控制操作 (ioctl(fd, command, ...))：对特定的设备执行控制和配置操作。

e、文件控制操作(fcntl(fd, command, ...))：改变已打开的文件性质。

f、关闭操作 (close(int fd))：关闭文件描述符。

file结构体组成

struct file主要成员解释

f_path：包含文件的路径和文件系统信息，struct path 结构体包括一个指向 dentry（目录项）和 vfsmount（文件系统挂载点）的指针。
f_inode：指向与文件关联的 inode 结构体的指针，它存储了文件的大部分元数据。
f_op：指向文件操作表的指针，这个表包含了各种文件操作相关的函数指针，如 read、write、open、release 等。
f_lock：自旋锁，用于保护文件相关的敏感操作。
f_count：原子类型，表示文件描述符的引用计数，用于文件描述符的复制和释放管理。
f_flags：打开文件时使用的标志，如 O_RDONLY、O_NONBLOCK 等。
f_mode：文件模式，指定文件的访问模式，如只读、只写等。
f_pos：当前文件的偏移量，表示下一次读/写的起始位置。
f_owner：文件所有者的信息，常用于信号发送。
f_mapping：指向文件的地址空间结构，用于文件映射和内存管理。