【深入理解】Linux内核文件函数的作用与实现方式 (linux 内核文件函数)

深入理解Linux内核文件函数的作用与实现方式

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Linux操作系统是一种开放源代码操作系统，由欧洲爱丁堡大学的Linus Torvalds在1991年开始编写。如今，Linux已经成为了服务器、安全设备、移动设备等各种领域的必备操作系统。

在Linux系统中，文件是一种非常重要的资源。因此，内核必须提供一系列文件操作函数，以便实现对文件的访问、读写等操作。本文将深入探讨Linux内核文件函数的作用与实现方式。

一、Linux内核文件系统

在Linux系统中，每个文件都有一个唯一的文件描述符（file descriptor），该文件描述符实际上是一个整数值。它可以用来指示打开的文件、管道、套接字和其他I/O通道等。

Linux内核提供了一个虚拟文件系统层（Virtual File System，简称VFS），用于管理系统内各种文件和目录。所有的文件系统和网络等服务都是在VFS的模型之上构建的。

当进程打开一个文件时，内核会查找VFS中的文件描述符，然后找到相应的文件系统并执行相关的操作。如果文件描述符无法解析，内核就会返回错误信息。

二、文件操作函数

文件操作函数（File Operation，简称FileOps）是Linux内核用于管理文件系统的核心函数。它们可以实现文件系统的各种读、写、打开、关闭、读取目录等操作。

文件操作的主要作用就是让文件系统驱动程序与VFS进行通信，以便实现一些基本的文件操作功能。以下是常见的文件操作函数：

1、open：打开一个文件，返回一个指向文件描述符的指针。

2、release：关闭文件，释放相关资源。

3、read：从文件中读取数据。

4、write：向文件中写入数据。

5、ioctl：用于控制和配置设备、网络和文件系统等等。

6、flush：用于在文件系统缓存中刷新文件。

7、mmap：用于将文件映射到内存中。

三、文件系统注册和挂载

要正常工作，文件系统驱动程序必须注册到内核中。这可以通过使用register_filesystem()函数进行实现。

注册文件系统时，必须提供文件系统类型字符串、文件系统操作函数指针和其他相关信息。注册后，可以通过unregister_filesystem()函数解除注册。

注册后的文件系统需要被挂载（即将文件系统内部的目录结构与VFS中的目录结构进行关联）。这通常是通过使用mount()函数完成的。

在挂载过程中，内核会使用文件系统的mount()函数来初始化文件系统中的各种数据结构，并将文件系统的根目录与VFS中的根目录进行关联。当文件系统的根目录被打开时，VFS将调用文件系统的lookup()函数来查找和返回节点。

四、文件系统操作流程

当用户在Linux系统中打开一个文件时，下面是文件系统操作函数的基本流程：

1、文件打开请求经过VFS传递给文件系统驱动程序。VFS会检查文件描述符，然后在驱动程序中调用open()函数。

2、驱动程序中的open()函数需要返回一个指向文件描述符（File）的指针。它使用inode数据结构来表示文件。inode数据结构是Linux系统中用于描述文件和目录的数据结构。

3、驱动程序中的read()和write()函数通常与服务器关联，这些函数通过网络传递数据并检索资源。在Linux系统中，read()和write()函数通常是由驱动程序在系统中其他位置进行实现的。

4、当进程关闭文件时，VFS将调用文件系统的release()函数。此函数将释放文件描述符和inode数据结构，并释放相关资源。在驱动程序中，底层设备的ref count也将被递减。

五、内核文件操作函数的实现方式

Linux内核文件函数的实现方式有两种：静态注册和动态注册。

静态注册方式是将驱动程序编译后，使用模块工具将模块初始化文件加载到内核中。这意味着当系统启动时，驱动程序就已经被加载到内存中了。静态注册的好处是比较简单，但是模块被启动后就无法卸载。

动态注册方式则是将驱动程序作为内核模块进行加载。这意味着在系统运行时，可以加载和卸载驱动程序。动态注册的好处是可以灵活地增加、删除驱动程序，但是需要通过加载和初始化进行配置。

Linux内核文件函数是非常重要的操作函数之一，用于管理和操作文件系统。在良好的文件系统和驱动程序的支持下，Linux系统可以实现高效、稳定和安全的文件访问。

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• linux内核源码中如何加载自己的钩子函数？

linux内核源码中如何加载自己的钩子函数？

（但不总是）位于 /usr/src/linux-。我们不会研究得过于详细，因为 Linux 源代码经常会发生变化，但是，我们将尝试让给出的信息足以找出特定驱动程序或函数的位置。

Makefile：这个文件是整个源代码树的顶层 makefile。它定义了很多实用的变量和规则，比如默认的 gcc 编译标记。

Documentation/：这个目录中包含很多关于配置内核、运行 ramdisk 等任务的实用信息（但通常是过时的）。不过，与不同配置选项相应的帮助条目并不在这里 —— 它们在每个源代码目录的 Kconfig 文件中。

arch/：所有与体系结构相关的代码都在这个目录以及 include/a- 目录中。在此目录中，每种体系结构都有自己的目录。例如，用于基于 PowerPC 的计算机的代码位于 arch/ppc 目录中。在这些目录里，可薯数以找到底层内存管理、中断处理、早期初始化、汇编例程，等等。

crypto/：这是内核本身所用的加密 API。

drivers/：按照惯例，在此目录的子目录中可以找到运行外围设备的代码。包括视频驱动程序、网卡驱动程序、底层 SCSI 驱动程序，以及其他类似的驱动程序。例如，在 drivers/net 中可以找到大部分网卡驱动程序。将一类驱动程序组合在一起的某些更高层代码，可能会（也可能不禅世会）像底层驱动程序本身那些包含在同一目录中。

fs/：通用文件系统的代码（称做 VFS，即 Virtual File System）和各个不同文件系统的代码都可以在这个目录中找到。ext2 文件系统是在 Linux 中最常广泛使用的文件系统之一；在 fs/ext2 中可以找到读取 ext2 格式的代码。并不是所有文件系统都会编译或运行；对某些寻找内核项目的人而言，更生僻的文件系统永远都是理想的候选者。

include/：在 .c 文件的开头所包含的大部分头文件都可以在这个目录中找到。 a- 目录下是与体系结构相关的包含（include ）文件。部分内核构建过程创建从 a 指定 a- 的符号链接。这样，无需将其固定编码到 .c 文件 #include 就可以获得用于那个体系结构的正确文件。其他目录中包含的是 非-体系结构-相关 的头文件。如果在不只一个 .c 文件中使用了某个结构体、常量或者变量，那么它可能应该放入其中一个头文件中。

init/：这个目录中的文件包括 main.c、创建 早期用户空间（early userspace） 的代码，以及其他初始化代码。可以认为 main.c 是内核“粘合剂（glue）”。在下一部分将深入讨论 main.c。早期用户空间提供了 Linux 内核引导起来时所需要的功能，而这些功能并不需要在内核本身运行。

ipc/：IPC 的意思是 进程间通信（interprocess communication）。它包含了共享内存、信号量以及其他形式 IPC 的代码。

kernel/：不适合放在任何其他位置的通用内核级代码位于此处。这里有高层系统调用代码，以及 printk() 代码、调度程序、信号处理代码，等等。文件名包含很多信息，所以可以使用 ls kernel/，并非能常准确地猜到每个文件的功能。

lib/：这里是对所有内核代码都通用的实用例程。常见的字符串操作、调试例程，以及命令行解析代码都位于此处。

mm/：这个目录中是高层次内核管理代码。联合使用这些例程以及底层的与体系结构相关的例程（通常位于 arch//mm/ 目录中）来实现虚拟内存（Virtual memory，VM）。在这里会完成早期内存管理（在内存子系统完全建立起来之前需要它），以及文件的内存映射、页高速缓存管理、内存分配、RAM 中页的清除（还有很多其他事情）。

net/：这里是高层网络代码。底层网络驱动程序与此层次代码交换数据包，这个层次的代码可以根据数据包将数据传递给用户层应用程序，或者丢弃数据，或者在内核中使用它。net/core 包含大部分不同的网络协议都可以使用的代码，和某些位贺手肢于 net/ 目录本身中的文件一样。特定的网络协议在 net/ 的子目录下实现。例如，在 net/ipv4 目录中可以找到 IP（版本 4）代码。

scripts/：这个目录中包含的脚本可用于内核的构建，但并不将任何代码加入到内核本身之中。例如，各种配置工具可以将它们的文件放在这里。

security/：在这里可以找到不同 Linux 安全模型的代码，比如 NSA Security-Enhanced Linux 以及套接字和网络安全钩子函数（hooks），以及其他安全选项。

sound/：这里放置的是声卡驱动程序和其他与声音相关的代码。

usr/：此目录中的代码用于构建包含 root 文件系统映像的 cpio-格式 的归档文件，用于早期用户空间。

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