Linux对文件或设备的操作函数保存在那个数据结构中?

封面图 • 2025-10-21 • Linux

在 Linux 内核中，文件和设备的操作通常通过 **`file_operations`** 结构体来描述。这个结构体是一个核心的数据结构，用于定义与文件或设备相关的操作方法。

### `file_operations` 结构体

`file_operations` 是一个包含指向各种操作函数指针的结构体，这些函数指针用于处理文件或设备的各种操作。它定义了内核如何与文件系统、字符设备、块设备等进行交互。

以下是 `file_operations` 的定义（位于 `<linux/fs.h>` 中）：

```c
struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*read_iter) (struct file *, struct kiocb *, struct iov_iter *);
    ssize_t (*write_iter) (struct file *, struct kiocb *, struct iov_iter *);
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
    int (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open)(struct inode *, struct file *);
    int (*release)(struct inode *, struct file *);
    int (*fasync)(int, struct file *, int);
    int (*lock)(struct file *, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage)(struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
};
```

### 详细说明

1. **`owner`**: 指向模块的指针，表示该 `file_operations` 属于哪个模块。通常设置为 `THIS_MODULE`，以便内核在模块卸载时自动清理相关资源。

2. **`llseek`**: 用于文件偏移量的定位操作。

3. **`read` 和 `write`**: 分别用于读取和写入文件或设备数据。

4. **`open` 和 `release`**: 分别用于打开和释放文件或设备。

5. **`ioctl`**: 用于执行设备特定的控制命令。

6. **`mmap`**: 将文件或设备映射到内存中。

7. **`fsync`**: 同步文件数据到存储介质。

8. **`fasync`**: 用于异步信号通知。

9. **`lock`**: 用于文件锁定操作。

10. **`sendpage`**: 用于发送页到用户空间。

11. **`get_unmapped_area`**: 用于获取未映射区域的地址。

### 使用场景

- **字符设备驱动**: 在字符设备驱动程序中，`file_operations` 通常用于定义设备的操作接口。
- **文件系统**: 文件系统的操作也依赖于类似的机制，例如 VFS（虚拟文件系统）中的文件操作。
- **块设备**: 块设备同样使用 `file_operations` 来定义其操作行为。

### 示例代码

以下是一个简单的字符设备驱动程序中使用 `file_operations` 的示例：

```c
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device opened\n");
    return 0;
}

static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device released\n");
    return 0;
}

static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    pr_info("Device read\n");
    return 0;
}

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    pr_info("Device write\n");
    return count;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .release = my_release,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
};

static int __init my_init(void) {
    pr_info("Device driver loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void) {
    pr_info("Device driver unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Linux character device driver");
```

### 总结

`file_operations` 是 Linux 内核中用于描述文件或设备操作的核心数据结构。它定义了一组操作函数指针，使得内核能够通过统一的接口与文件系统、字符设备、块设备等进行交互。无论是设备驱动开发还是文件系统实现，`file_operations` 都是不可或缺的一部分。