Как делают устройство посимвольного ввода-вывода или символьную специальную работу файлов?

Каждый файл, устройство или иначе, поддерживает 6 основных операций в VFS:

1. Открытый
2. Закрыть
3. Читать
4. Записать
5. Искать
6. Сказать

Кроме того, файлы устройств поддерживают Управление ввода-вывода, которое позволяет другие разные операции, не покрытые первыми 6.

В случае символьного специального предложения ищите и скажите, не реализованы, так как они поддерживают интерфейс потоковой передачи. Таким образом, читая или при записи непосредственно тех, которые сделаны с перенаправлением в оболочке:

echo 'foo' > /dev/some/char
sed ... < /dev/some/char

[116018] Символьные устройства могут быть созданы модулями ядра (или самим ядром). При создании устройства создатель предоставляет указатели на функции, которые реализуют обработку стандартных вызовов, таких как open, read и т.д. Затем ядро Linux связывает эти функции с символьным устройством, поэтому, например, когда пользовательское приложение вызывает функцию read() в файле символьного устройства, это приводит к syscall'у, а затем ядро направляет этот вызов на функцию чтения, указанную при создании драйвера. Пошаговое руководство по созданию символьного устройства [116377] здесь [116378], вы можете создать пример проекта и пройти через него с помощью отладчика, чтобы понять, как создается объект устройства и когда вызываются обработчики[116019].

«Символ за раз» является неправильным термином (как и идея о том, что символьные устройства обязательно не поддерживают поиск и определение). На самом деле, "блочные" (т.е. строго ориентированные на запись, такие как ленточный накопитель*) устройства должны быть символьными устройствами. Такова же идея, что символьное устройство обязательно должно быть недоступным для поиска - драйверы символьных устройств определяют полную структуру file_operations, которая может свободно определять llseek или нет в зависимости от того, поддерживает ли устройство операцию. Символьные устройства, которые большинство людей считают примерами, — это null, urandom, устройства TTY, звуковая карта, мышь и т. д., которые невозможно найти из-за специфики этих устройств, но /dev/vcs, /dev/fb0 и /dev/kmem также являются символьными устройствами, и все они доступны для поиска.

Как я уже упоминал, драйвер символьного устройства определяет структуру file_operations, которая имеет указатели функций для всех операций, которые кто-то может захотеть вызвать с файлом — поиск, чтение, запись, ioctl и т. д. — и каждая из них вызывается один раз, когда соответствующий системный вызов выполняется при открытом файле устройства. И поэтому чтение и запись могут делать со своими аргументами все, что захотят — они могут отказаться принимать запись, которая слишком велика, или писать только то, что подходит; он может прочитать только данные, соответствующие одной записи, а не все запрошенное количество байтов.

Итак, что такое блочное устройство? По сути, блочные устройства представляют собой дисковые накопители. Ни одно другое устройство (кроме виртуальных дисков, таких как ramdisk и loopback) не является блочным устройством.Они интегрированы в систему запросов ввода/вывода, уровень файловой системы, систему буферов/кэшей и систему виртуальной памяти таким образом, что символьные устройства не интегрированы, даже когда вы обращаетесь, например. /dev/sda из пользовательского процесса. Даже «необработанные устройства», упомянутые на этой странице в качестве исключения , являются символьными устройствами.

*Некоторые системы UNIX реализовали так называемый «режим с фиксированными блоками», который позволяет ядру группировать и разделять запросы ввода-вывода, чтобы соответствовать сконфигурированным границам блоков более или менее таким же образом, как это делается для дисковых накопителей. как блочное устройство. Символьное устройство необходимо для «режима переменного блока», который сохраняет границы блока из пользовательской программы, поскольку одиночный вызов write(2) записывает один блок, а одиночный вызов read(2) возвращает один блок. Поскольку переключение режимов теперь реализовано как ioctl, а не как отдельный файл устройства, используется символьное устройство. Ленточные накопители с переменной записью в основном не поддерживают поиск, поскольку поиск включает подсчет количества записей, а не количества байтов, а собственная операция поиска реализована как ioctl.

Минимальная работоспособность file_operationsпример

Когда вы видите минимальный пример, все становится очевидным.

Ключевые идеи:

• file_operationsсодержит обратные вызовы для каждого системного вызова, связанного с файлом
• mknod <path> c <major> <minor>создает символьное устройство, которое использует этиfile_operations
• для символьных устройств, которые динамически распределяют номера устройств (норма во избежание конфликтов ), найдите номер с помощьюcat /proc/devices

character_device.koмодуль ядра:

#include <asm/uaccess.h> /* copy_from_user, copy_to_user */
#include <linux/errno.h> /* EFAULT */
#include <linux/fs.h> /* register_chrdev, unregister_chrdev */
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/printk.h> /* printk */
#include <uapi/linux/stat.h> /* S_IRUSR */

#define NAME "lkmc_character_device"

MODULE_LICENSE("GPL");

static int major;

static ssize_t read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{
    size_t ret;
    char kbuf[] = {'a', 'b', 'c', 'd'};

    ret = 0;
    if (*off == 0) {
        if (copy_to_user(buf, kbuf, sizeof(kbuf))) {
            ret = -EFAULT;
        } else {
            ret = sizeof(kbuf);
            *off = 1;
        }
    }
    return ret;
}

static const struct file_operations fops = {
   .owner = THIS_MODULE,
   .read = read,
};

static int myinit(void)
{
    major = register_chrdev(0, NAME, &fops);
    return 0;
}

static void myexit(void)
{
    unregister_chrdev(major, NAME);
}

module_init(myinit)
module_exit(myexit)

Программа тестирования пользовательской среды:

insmod /character_device.ko
dev="lkmc_character_device"
major="$(grep "$dev" /proc/devices | cut -d ' ' -f 1)"
mknod "/dev/$dev" c "$major" 0
cat /dev/lkmc_character_device
# => abcd
rm /dev/lkmc_character_device
rmmod character_device

GitHub QEMU + Buildroot восходящей ветки с шаблонным кодом, чтобы запустить его:

• https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat/blob/6788a577c394a2fc512d8f3df0806d84dc09f355/kernel_module/character_device.c
• https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat/blob/master/rootfs_overlay/character_device.sh

Более сложные примеры:

• read, write, lseekс внутренним буфером фиксированного размера и на debugfs вместо символьного устройства:https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat/blob/6788a577c394a2fc512d8f3df0806d84dc09f355/kernel_module/fops.c
• poll:https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat/blob/6788a577c394a2fc512d8f3df0806d84dc09f355/kernel_module/poll.c
• ioctl:https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat/blob/6788a577c394a2fc512d8f3df0806d84dc09f355/kernel_module/poll.c
• anon_inode_getfdсвязывает file_operationsс дескриптором файла без какого-либо файла файловой системы:https://stackoverflow.com/questions/4508998/what-is-anonymous-inode/44388030#44388030