解析:Linux内核中的fops是什么? (linux内核中fops)


在Linux操作系统的内核中,fops是指文件操作的函数。这个函数是用来处理Linux内核中进程与文件系统之间的数据传输的。文件操作相关的常见操作包括打开、读取、写入、关闭等,而fops函数集里存储了用于执行这些操作的函数。在本文中,我们将深入探讨Linux内核中fops的作用、结构和实现方式。

一、fops的作用

在Linux内核中,fops主要用于在进程和文件系统之间传递数据。在Linux中,一切都是文件的概念,因此每个进程可以通过文件系统进行文件的读取、写入和操作。然而,在系统内核下,进程与文件系统之间的数据传输只能通过系统调用来实现。因此,系统调用需要传入参数,然后在内核中由fops来执行相关的操作。

具体地说,fops函数中包含了打开、关闭、读取等一系列函数。当进程需要访问一个文件时,通过系统调用将需要执行的操作传入内核。内核会根据传入的操作类型调用相关的fops函数,并根据返回结果将结果返回给进程。

二、fops的结构

Linux内核中的fops函数是由一个结构体来管理的,该结构体被称为struct file_operations。在该结构体中,包含了能够处理文件操作的多个成员函数。具体来说,该结构体包含以下成员:

1. owner:函数集所属的模块。

2. open:打开文件的函数。

3. release:关闭文件的函数。

4. read:读文件的函数。

5. write:写文件的函数。

6. seek:改变文件位置指针的函数。

7. ioct:设备控制函数。

8. poll:成员函数将根据情况来检查文件描述符是否可读或可写。

9. mmap:文件映射成内存的函数。

10. fault:由内核调用, 当使用mmap()函数时出现异常将返回错误信息。

11. flush:将与该文件相关的所有数据从内存中刷出

12. lock:文件锁定,其他进程无法打开

13. unlock:移除文件锁定,其他进程重新有权打开该文件

通过上述的成员函数,fops结构体能够实现对文件进行操作的全部基本功能。文件操作前,需要调用打开函数;文件操作后,需要调用关闭函数,以保证进程和操作系统对文件的正常退出。

三、fops的实现方式

为了完善fops函数,在Linux系统中,文件系统可以通过调用register_chrdev()函数注册自己的fops函数,这将启动与当前所用硬件设备相关联的驱动程序。驱动程序实现中,通常需要将设备文件与驱动程序的设备结构体(device structure)相联系。这样,在通过设备文件访问设备时,Linux内核就可以自动地把访问命令转换成相应的设备操作。

随着文件操作的不断发展,Linux内核中的fops函数逐渐完善。fops函数的实现方式不仅可以提高文件操作的效率,还可以增强Linux操作系统的稳定性和可扩展性,为Linux系统的发展注入新的创新思路。

在日常使用中,Linux的fops函数虽然不需要用户进行显式的调用,但是对于像开发和调试这样的应用场景,深入理解fops的内部实现方式可以帮助程序员更好地理解和解决软硬件问题,提高工作效率和产出质量。

Linux内核中的fops是非常重要的组成部分之一,它不仅是Linux操作系统的核心功能之一,也是不同文件系统的驱动程序所需的基本元素。让我们一起深入了解Linux内核中的fops,从而更好地利用这一强大的工具提高我们对于Linux系统的开发和使用水平。

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Linux Kernel 2.4 和 2.6 的区别

编译错误给

1、 使用新的入口

必须包含

module_init(your_init_func);

module_exit(your_exit_func);

老版本:int init_module(void);

void cleanup_module(voi);

2.4中两种都可以用伍余,对如后面的入口函数不必要显示包含任何头文件。

2、 GPL

MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”);

老版本:MODULE_LICENSE(“GPL”);

3、 模块参数

必须显式包含

module_param(name, type, perm);

module_param_named(name, value, type, perm);

参数定义

module_param_string(name, string, len, perm);

module_param_array(name, type, num, perm);

老版本:MODULE_PARM(variable,type);

MODULE_PARM_DESC(variable,type);

4、 模块别名

MODULE_ALIAS(“alias-name”);

这是新增的,在老版本中需在/etc/modules.conf配置,现在在代码中就可以实运衫现。

5、 模块计数

int try_module_get(&module);

module_put();

老版本:MOD_INC_USE_COUNT 和 MOD_DEC_USE_COUNT

6、 符号导出

只有显示的导腔悄滚出符号才能被其他 模块使用,默认不导出所有的符号,不必使用EXPORT_NO

_SYMBOLS

老板本:默认导出所有的符号,除非使用EXPORT_NO_SYMBOLS

7、 内核版本检查

需要在多个文件中包含时,不必定义__NO_VERSION__

老版本:在多个文件中包含时,除在主文件外的其他文件中必须定义_

_NO_VERSION__,防止版本重复定义。

8、 设备号

kdev_t被废除不可用,新的dev_t拓展到了32位,12位主设备号,20位次设备号。

unsigned int iminor(struct inode *inode);

unsigned int imajor(struct inode *inode);

老版本:8位主设备号,8位次设备号

int MAJOR(kdev_t dev);

int MINOR(kdev_t dev);

9、 内存分配头文件变更

所有的内存分配函数包含在头文件,而原来的不存在

老版本:内存分配函数包含在头文件

10、 结构体的初试化

gcc开始采用ANSI C的struct结构体的初始化形式:

static struct some_structure = {

.field1 = value,

.field2 = value,

..

};

老版本:非标准的初试化形式

static struct some_structure = {

field1: value,

field2: value,

..

};

11、 用户模式帮助器

int call_usermodehelper(char *path, char **argv, char **envp,

int wait);

新增wait参数

12、 request_module()

request_module(“foo-device-%d”, number);

老版本:

char module_name;

printf(module_name, “foo-device-%d”, number);

request_module(module_name);

13、 dev_t引发的字符设备的变化

1、取主次设备号为

unsigned iminor(struct inode *inode);

unsigned imajor(struct inode *inode);

2、老的register_chrdev()用法没变,保持向后兼容,但不能访问设备号大于256的设备

3、新的接口为

a)注册字符设备范围

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, char *name);

b)动态申请主设备号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, char

*name);

看了这两个函数郁闷吧^_^!怎么和file_operations结构联系起来啊?别急!

c)包含 ,利用struct cdev和file_operations连接

struct cdev *cdev_alloc(void);

void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);

int cdev_add(struct cdev *cdev, dev_t dev, unsigned count);

(分别为,申请cdev结构,和fops连接,将设备加入到系统中!好复杂啊!)

d)void cdev_del(struct cdev *cdev);

只有在cdev_add执行成功才可运行。

e)辅助函数

kobject_put(&cdev->kobj);

struct kobject *cdev_get(struct cdev *cdev);

void cdev_put(struct cdev *cdev);

这一部分变化和新增的/sys/dev有一定的关联。

14、 新增对/proc的访问操作

以前的/proc中只能得到string, seq_file操作能得到如long等多种数据。

相关函数:

static struct seq_operations 必须实现这个类似file_operations得数据中得各个成

员函数。

seq_printf();

int seq_putc(struct seq_file *m, char c);

int seq_puts(struct seq_file *m, const char *s);

int seq_escape(struct seq_file *m, const char *s, const char *esc);

int seq_path(struct seq_file *m, struct vfount *mnt,

struct dentry *dentry, char *esc);

seq_open(file, &ct_seq_ops);

等等

15、 底层内存分配

1、头文件改为

2、分配标志GFP_BUFFER被取消,取而代之的是GFP_NOIO 和 GFP_NOFS

3、新增__GFP_REPEAT,__GFP_NOFAIL,__GFP_NORETRY分配标志

4、页面分配函数alloc_pages(),get_free_page()被包含在中

5、对NUMA系统新增了几个函数:

a) struct page *alloc_pages_node(int node_id,

unsigned int gfp_mask,

unsigned int order);

b) void free_hot_page(struct page *page);

c) void free_cold_page(struct page *page);

6、 新增Memory pools

mempool_t *mempool_create(int min_nr,

mempool_alloc_t *alloc_fn,

mempool_free_t *free_fn,

void *pool_data);

void *mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask);

void mempool_free(void *element, mempool_t *pool);

int mempool_resize(mempool_t *pool, int new_min_nr, int gfp_mask);

16、 per-CPU变量

get_cpu_var();

put_cpu_var();

void *alloc_percpu(type);

void free_percpu(const void *);

per_cpu_ptr(void *ptr, int cpu)

get_cpu_ptr(ptr)

put_cpu_ptr(ptr)

老版本使用

DEFINE_PER_CPU(type, name);

EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(name);

EXPORT_PER_CPU_SYMBOL_GPL(name);

DECLARE_PER_CPU(type, name);

DEFINE_PER_CPU(int, mypcint);

2.6内核采用了可剥夺得调度方式这些宏都不安全。

17、 内核时间变化

1、现在的各个平台的HZ为

Alpha: 1024/1200; ARM : 100/128/200/1000; CRIS: 100; i386: 1000; IA-64:

1024; M68K: 100; M68K-nommu:; MIPS: 100/128/1000; MIPS64: 100;

PA-RISC: 100/1000; PowerPC32: 100; PowerPC64: 1000; S/390: 100; SPARC32:

100; SPARC64: 100; SuperH: 100/1000; UML: 100; v850:; x86-64: 1000.

2、由于HZ的变化,原来的jiffies计数器很快就溢出了,引入了新的计数器jiffies_64

3、#include

u64 my_time = get_jiffies_64();

4、新的时间结构增加了纳秒成员变量

struct timespec current_kernel_time(void);

5、他的timer函数没变,新增

void add_timer_on(struct timer_list *timer, int cpu);

6、新增纳秒级延时函数

ndelay();

7、POSIX clocks 参考kernel/posix-timers.c

18、 工作队列(workqueue)

1、任务队列(task queue )接口函数都被取消,新增了workqueue接口函数

struct workqueue_struct *create_workqueue(const char *name);

DECLARE_WORK(name, void (*function)(void *), void *data);

INIT_WORK(struct work_struct *work,

void (*function)(void *), void *data);

PREPARE_WORK(struct work_struct *work,

void (*function)(void *), void *data);

2、申明struct work_struct结构

int queue_work(struct workqueue_struct *queue,

struct work_struct *work);

int queue_delayed_work(struct workqueue_struct *queue,

struct work_struct *work,

unsigned long delay);

int cancel_delayed_work(struct work_struct *work);

void flush_workqueue(struct workqueue_struct *queue);

void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *queue);

int schedule_work(struct work_struct *work);

int schedule_delayed_work(struct work_struct *work, unsigned long

delay);

19、 新增创建VFS的”libfs”

libfs给创建一个新的文件系统提供了大量的API.

主要是对struct file_system_type的实现。

参考源代码:

drivers/hotplug/pci_hotplug_core.c

drivers/u/core/inode.c

drivers/oprofile/oprofilefs.c

fs/ramfs/inode.c

fs/nfsd/nfsctl.c (simple_fill_super() example)

这个问题挺大的。2.6 时代跨度非常大,从2.6.0 (2023年12月发布) 到 2.6.39(2023年5月发布),  跨越了 40 个大版本。3.0(原计划的 2.6.40, 2023年7月发布庆亮) 到 3.19(2023年2月发布)。4.0(2023年4月发布)到4.2(2023年8月底发布)。总的来说,从进入2.6之后,每个大版本跨度开发时间大概是个月。2.6.x ,   3.x,  4.x,数字的递进并没有非常根本性,非常非常非常引人注目的大变化,但每个大版本中都有一些或大或小的功能改变。主版本号只是一个数字而已。不过要直接从 2.4.x 升级,随着时间间隔增大,出问题的机率当然大很多。个人觉得 Linux 真正走入严肃级别的高稳定性,高可用性,高可伸缩性的工业级别内核大概是在 2023 年后吧。一是随着互联网的更迅速普及,更多的人使用、参与开发。二也是社区经过11年发展,已经核销慢慢摸索出一套很稳定的协同开发模式,一个重要的特点是 社区开始使用版本管改差游理工具进入管理,脱离了之前纯粹手工(或一些辅助的简陋工具)处理代码邮件的方式,大大加快了开发的速度和力度。

改进或增加功能

抢占支持(preemption)

 普通进程调度器(SCHED_OTHER)之纠极进化史

 有空时再跑 SCHED_IDLE

普通进程的组调度支持(Fair Group Scheng)

 实时进程的组调度支持(RT Group Scheng)

 组调度带宽控制(CFS bandwidth control)

 极大提高体验的自动组调度(Auto Group Scheng)

 基于调度域的负载均衡

 更精确的调度时钟(HRTICK)

 自动 NUMA 均衡(Automatic NUMA balancing)

CPU 调度与节能

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