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Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的核心功能之一是管理系統(tǒng)上的文件。在Linux中，文件系統(tǒng)可以分為許多文件類(lèi)型，例如常見(jiàn)的文本文件、可執(zhí)行文件和設(shè)備文件等。作為一個(gè)操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核不僅需要識(shí)別和解析這些不同類(lèi)型的文件，還要能夠在不同的文件系統(tǒng)之間進(jìn)行讀取和操作。
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在Linux內(nèi)核中，文件由一個(gè)叫做“文件描述符”的結(jié)構(gòu)體來(lái)表示。文件描述符是一個(gè)整數(shù)，它是內(nèi)核內(nèi)部用來(lái)標(biāo)識(shí)和操作文件的唯一標(biāo)識(shí)符。當(dāng)我們打開(kāi)一個(gè)文件時(shí)，內(nèi)核會(huì)為其分配一個(gè)唯一的文件描述符，并將該文件描述符返回給進(jìn)程。此后，進(jìn)程可以使用該描述符對(duì)文件進(jìn)行操作。
對(duì)于一個(gè)文件的讀取，內(nèi)核需要執(zhí)行以下幾個(gè)步驟：
1. 打開(kāi)文件
在Linux中，打開(kāi)文件通常是通過(guò)調(diào)用open（）系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成的。 open（）函數(shù)接受一個(gè)文件名和一些標(biāo)志作為參數(shù)，并返回一個(gè)文件描述符。當(dāng)open（）被調(diào)用時(shí)，內(nèi)核會(huì)首先檢查文件名是否存在，并且有沒(méi)有權(quán)限打開(kāi)它。如果文件存在并且有足夠的權(quán)限，內(nèi)核會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的文件描述符，然后將其返回給進(jìn)程。
2. 讀取文件
對(duì)于Linux內(nèi)核而言，從磁盤(pán)中讀取文件的主要任務(wù)是通過(guò)文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成的。文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核中的一個(gè)模塊，它負(fù)責(zé)識(shí)別并解析不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)程嘗試從一個(gè)文件中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核會(huì)將讀取請(qǐng)求發(fā)送給文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序會(huì)分析讀取請(qǐng)求，并從磁盤(pán)中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。接著，內(nèi)核將數(shù)據(jù)塊從驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到進(jìn)程內(nèi)存中，并返回已讀取的數(shù)據(jù)量。
3. 關(guān)閉文件
當(dāng)文件使用完畢后，需要釋放它所占用的系統(tǒng)資源。這通常是通過(guò)調(diào)用close（）系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成的。 close（）函數(shù)接受一個(gè)文件描述符作為參數(shù)，并將其從進(jìn)程的文件描述符表中移除。在內(nèi)核中，該文件描述符和相關(guān)的打開(kāi)文件將被銷(xiāo)毀，并釋放所占用的所有系統(tǒng)資源。
需要注意的是，Linux內(nèi)核允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)文件。這種并發(fā)訪問(wèn)可以實(shí)現(xiàn)文件共享，允許不同的進(jìn)程同時(shí)對(duì)同一個(gè)文件進(jìn)行讀取和寫(xiě)入。為實(shí)現(xiàn)并發(fā)訪問(wèn)，內(nèi)核會(huì)跟蹤每個(gè)文件描述符的讀取和寫(xiě)入位置，并通過(guò)文件鎖等機(jī)制來(lái)控制訪問(wèn)。
此外，Linux內(nèi)核還提供了一些專(zhuān)用的系統(tǒng)調(diào)用，例如pread（）和pwrite（），用于支持隨機(jī)讀取和寫(xiě)入。這些系統(tǒng)調(diào)用允許進(jìn)程通過(guò)文件描述符的偏移量直接讀取和寫(xiě)入文件中的任意位置。與普通的讀取和寫(xiě)入操作不同，pread（）和pwrite（）避免了先前讀取或?qū)懭氩僮鲗?duì)文件位置的修改。
了解Linux內(nèi)核如何讀取文件是理解其核心功能的重要組成部分。通過(guò)理解Linux內(nèi)核如何管理和操作文件系統(tǒng)，我們可以更好地了解應(yīng)用程序與系統(tǒng)之間的交互，并編寫(xiě)更高效、更可靠的Linux應(yīng)用程序。
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獲取Linux內(nèi)核未導(dǎo)出符號(hào)的幾種方式
只有在內(nèi)核中使用EXPORT_SYMBOL或EXPORT_SYMBOL_GPL導(dǎo)出的符號(hào)才能在內(nèi)尺攜核模塊中直接使用。然而，內(nèi)核并沒(méi)有導(dǎo)出所有的符號(hào)。例如，在3.8.0的內(nèi)核中，do_page_fault就沒(méi)有被導(dǎo)出。 而我的內(nèi)核模塊中需要使用do_page_fault，那么有那些方法呢？這些方法分別有什么優(yōu)劣呢？ 下面以do_page_fault為例，一一進(jìn)行分析： 修改內(nèi)核，添加EXPORT_SYMBOL(do_page_fault)或EXPORT_SYMBOL_GPL(do_page_fault)。這種方法適用于可以修改內(nèi)核的情形。在可以修改內(nèi)核的情況下，這是最簡(jiǎn)單的方式。 使用kallsyms_lookup_name讀取kallsyms_lookup_name本身也是一個(gè)內(nèi)核符號(hào)，如果這個(gè)符號(hào)被導(dǎo)出了，那么就可以在內(nèi)核模塊中調(diào)用kallsyms_lookup_name(“do_page_fault”)來(lái)獲得do_page_fault的符號(hào)地址。這種方法的局限性在于kallsyms_lookup_name本身不一定被導(dǎo)出。 讀取/boot/System.map-，再使用內(nèi)核模塊參數(shù)傳入內(nèi)核模塊System.map-是編譯內(nèi)核時(shí)產(chǎn)生的，它里面記錄了編譯時(shí)內(nèi)核符號(hào)的地址。如果能夠保證當(dāng)前使用的內(nèi)核與System.map-是一一對(duì)應(yīng)的，那么從System.map-中讀出的符號(hào)地址陵鉛伏就是正確的。其中，kernel-version可以通過(guò)’uname -r’獲得。但是這種方法也有局限性，在模塊運(yùn)行的時(shí)候，System.map-文件不一定存在，即使存在也不能保證與當(dāng)前內(nèi)核是正確對(duì)應(yīng)的。 讀取/proc/kallsyms，再使用內(nèi)核模塊參數(shù)傳激純?nèi)雰?nèi)核模塊/proc/kallsyms是一個(gè)特殊的文件，它并不是存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的文件。這個(gè)文件只有被讀取的時(shí)候，才會(huì)由內(nèi)核產(chǎn)生內(nèi)容。因?yàn)檫@些內(nèi)容是內(nèi)核動(dòng)態(tài)生成的，所以可以保證其中讀到的地址是正確的，不會(huì)有System.map-的問(wèn)題。需要注意的是，從內(nèi)核2.6.37開(kāi)始，普通用戶(hù)是沒(méi)有辦法從/proc/kallsyms中讀到正確的值。在某些版本中，該文件為空。在較新的版本中，該文件中所有符號(hào)的地址均為0（除非/porc/sys/kernel/kptr_restrict 的值被設(shè)為0）。但是root用戶(hù)是可以從/proc/kallsyms中讀到正確的值的。好在加載模塊也需要root權(quán)限，可以在加載模塊時(shí)用腳本獲取符號(hào)的地址。
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文章題目：深入理解：Linux內(nèi)核如何讀取文件 (linux內(nèi)核讀取文件)
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