open 函数到底做了什么

news2024/10/5 9:08:54

使用设备之前我们通常都需要调用 open 函数，这个函数一般用于设备专有数据的初始化，申请相关资源及进行设备的初始化等工作，对于简单的设备而言，open 函数可以不做具体的工作，你在应用层通过系统调用 open 打开设备时，如果打开正常，就会得到该设备的文件描述符，之后，我们就可以通过该描述符对设备进行 read 和 write 等操作； open 函数到底做了些什么工作？下图中列出了 open 函数执行的大致过程。

户空间使用 open() 系统调用函数打开一个字符设备时 (int fd = open( “ dev/xxx ” , O_RDWR)) 大致

有以下过程：

• 在虚拟文件系统 VFS 中的查找对应与字符设备对应 struct inode 节点

• 遍历散列表 cdev_map ，根据 inod 节点中的 cdev_t 设备号找到 cdev 对象

• 创建 struct file 对象（系统采用一个数组来管理一个进程中的多个被打开的设备，每个文件

秒速符作为数组下标标识了一个设备对象）

• 初始化 struct file 对象，将 struct file 对象中的 file_operations 成员指向 struct cdev 对象中的 file_operations 成员（ file->fops = cdev->fops ）

• 回调 file->fops->open 函数

我们使用的 open 函数在内核中对应的是 sys_open 函数， sys_open 函数又会调用 do_sys_open 函数。在 do_sys_open 函数中，首先调用函数 get_unused_fd_flags 来获取一个未被使用的文件描述符 fd，该文件描述符就是我们最终通过 open 函数得到的值。紧接着，又调用了 do_filp_open 函数，该函数通过调用函数 get_empty_filp 得到一个新的 file 结构体，之后的代码做了许多复杂的工作，如解析文件路径，查找该文件的文件节点 inode 等，直接来到了函数 do_dentry_open 函数，如下所示。

//do_dentry_open 函数（内核源码/fs/open.c）

static int do_dentry_open(struct file *f,struct inode *inode,int(*open)(struct inode *,             
                         struct file *),const struct cred *cred)
{
    ……
    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
    ……
    if (!open)
    open = f->f_op->open;
    if (open) {
        error = open(inode, f);
        if (error)
        goto cleanup_all;
    }
    ……
}

• 第 4 行：使用 fops_get 函数来获取该文件节点 inode 的成员变量 i_fop ，我们使用 mknod 创建字符设备文件时，将 def_chr_fops 结构体赋值给了该设备文件 inode 的 i_fop 成员。

• 第 7 行：到了这里，我们新建的 file 结构体的成员 f_op 就指向了 def_chr_fops 。

注：def_chr_fops 是字符设备通用的操作函数，类比于我们自己在写驱动程序时的file_operation

// def_chr_fops 结构体（内核源码/fs/char_dev.c）

const struct file_operations def_chr_fops = {
  .open = chrdev_open,
  .llseek = noop_llseek,
};

最终，会执行 def_chr_fops 中的 open 函数，也就是 chrdev_open 函数，可以理解为一个字符设备的通用初始化函数，根据字符设备的设备号，找到相应的字符设备，从而得到操作该设备的方法。

//chrdev_open 函数（内核源码/fs/char_dev.c）
static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    const struct file_operations *fops;
    struct cdev *p;
    struct cdev *new = NULL;
    int ret = 0;
    spin_lock(&cdev_lock);
    p = inode->i_cdev;
    if (!p) {
         struct kobject *kobj;
         int idx;
         spin_unlock(&cdev_lock);
         kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx);
         if (!kobj)
             return -ENXIO;
         new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
         spin_lock(&cdev_lock);
         /* Check i_cdev again in case somebody beat us to it while
         we dropped the lock.*/
         p = inode->i_cdev;
         if (!p) {
             inode->i_cdev = p = new;
             list_add(&inode->i_devices, &p->list);
             new = NULL;
         } else if (!cdev_get(p))
             ret = -ENXIO;
     } else if (!cdev_get(p))
         ret = -ENXIO;
     spin_unlock(&cdev_lock);
     cdev_put(new);
     if (ret)
         return ret;

     ret = -ENXIO;
     fops = fops_get(p->ops);
     if (!fops)
     goto out_cdev_put;

     replace_fops(filp, fops);
     if (filp->f_op->open) {
         ret = filp->f_op->open(inode, filp);
         if (ret)
         goto out_cdev_put;
     }

     return 0;
    
     out_cdev_put:
     cdev_put(p);
     return ret;
 }

函数 chrdev_open 最终将创建的文件结构体 file 的成员 f_op 替换成了 cdev 对应的 ops 成员，并执行 ops 结构体中的 open 函数。