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深入理解Linux內核文件函數(shù)的作用與實現(xiàn)方式
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Linux操作系統(tǒng)是一種開放源代碼操作系統(tǒng)，由歐洲愛丁堡大學的Linus Torvalds在1991年開始編寫。如今，Linux已經(jīng)成為了服務器、安全設備、移動設備等各種領域的必備操作系統(tǒng)。
在Linux系統(tǒng)中，文件是一種非常重要的資源。因此，內核必須提供一系列文件操作函數(shù)，以便實現(xiàn)對文件的訪問、讀寫等操作。本文將深入探討Linux內核文件函數(shù)的作用與實現(xiàn)方式。
一、Linux內核文件系統(tǒng)
在Linux系統(tǒng)中，每個文件都有一個唯一的文件描述符（file descriptor），該文件描述符實際上是一個整數(shù)值。它可以用來指示打開的文件、管道、套接字和其他I/O通道等。
Linux內核提供了一個虛擬文件系統(tǒng)層（Virtual File System，簡稱VFS），用于管理系統(tǒng)內各種文件和目錄。所有的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡等服務都是在VFS的模型之上構建的。
當進程打開一個文件時，內核會查找VFS中的文件描述符，然后找到相應的文件系統(tǒng)并執(zhí)行相關的操作。如果文件描述符無法解析，內核就會返回錯誤信息。
二、文件操作函數(shù)
文件操作函數(shù)（File Operation，簡稱FileOps）是Linux內核用于管理文件系統(tǒng)的核心函數(shù)。它們可以實現(xiàn)文件系統(tǒng)的各種讀、寫、打開、關閉、讀取目錄等操作。
文件操作的主要作用就是讓文件系統(tǒng)驅動程序與VFS進行通信，以便實現(xiàn)一些基本的文件操作功能。以下是常見的文件操作函數(shù)：
1、open：打開一個文件，返回一個指向文件描述符的指針。
2、release：關閉文件，釋放相關資源。
3、read：從文件中讀取數(shù)據(jù)。
4、write：向文件中寫入數(shù)據(jù)。
5、ioctl：用于控制和配置設備、網(wǎng)絡和文件系統(tǒng)等等。
6、flush：用于在文件系統(tǒng)緩存中刷新文件。
7、mmap：用于將文件映射到內存中。
三、文件系統(tǒng)注冊和掛載
要正常工作，文件系統(tǒng)驅動程序必須注冊到內核中。這可以通過使用register_filesystem()函數(shù)進行實現(xiàn)。
注冊文件系統(tǒng)時，必須提供文件系統(tǒng)類型字符串、文件系統(tǒng)操作函數(shù)指針和其他相關信息。注冊后，可以通過unregister_filesystem()函數(shù)解除注冊。
注冊后的文件系統(tǒng)需要被掛載（即將文件系統(tǒng)內部的目錄結構與VFS中的目錄結構進行關聯(lián)）。這通常是通過使用mount()函數(shù)完成的。
在掛載過程中，內核會使用文件系統(tǒng)的mount()函數(shù)來初始化文件系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)結構，并將文件系統(tǒng)的根目錄與VFS中的根目錄進行關聯(lián)。當文件系統(tǒng)的根目錄被打開時，VFS將調用文件系統(tǒng)的lookup()函數(shù)來查找和返回節(jié)點。
四、文件系統(tǒng)操作流程
當用戶在Linux系統(tǒng)中打開一個文件時，下面是文件系統(tǒng)操作函數(shù)的基本流程：
1、文件打開請求經(jīng)過VFS傳遞給文件系統(tǒng)驅動程序。VFS會檢查文件描述符，然后在驅動程序中調用open()函數(shù)。
2、驅動程序中的open()函數(shù)需要返回一個指向文件描述符（File）的指針。它使用inode數(shù)據(jù)結構來表示文件。inode數(shù)據(jù)結構是Linux系統(tǒng)中用于描述文件和目錄的數(shù)據(jù)結構。
3、驅動程序中的read()和write()函數(shù)通常與服務器關聯(lián)，這些函數(shù)通過網(wǎng)絡傳遞數(shù)據(jù)并檢索資源。在Linux系統(tǒng)中，read()和write()函數(shù)通常是由驅動程序在系統(tǒng)中其他位置進行實現(xiàn)的。
4、當進程關閉文件時，VFS將調用文件系統(tǒng)的release()函數(shù)。此函數(shù)將釋放文件描述符和inode數(shù)據(jù)結構，并釋放相關資源。在驅動程序中，底層設備的ref count也將被遞減。
五、內核文件操作函數(shù)的實現(xiàn)方式
Linux內核文件函數(shù)的實現(xiàn)方式有兩種：靜態(tài)注冊和動態(tài)注冊。
靜態(tài)注冊方式是將驅動程序編譯后，使用模塊工具將模塊初始化文件加載到內核中。這意味著當系統(tǒng)啟動時，驅動程序就已經(jīng)被加載到內存中了。靜態(tài)注冊的好處是比較簡單，但是模塊被啟動后就無法卸載。
動態(tài)注冊方式則是將驅動程序作為內核模塊進行加載。這意味著在系統(tǒng)運行時，可以加載和卸載驅動程序。動態(tài)注冊的好處是可以靈活地增加、刪除驅動程序，但是需要通過加載和初始化進行配置。
Linux內核文件函數(shù)是非常重要的操作函數(shù)之一，用于管理和操作文件系統(tǒng)。在良好的文件系統(tǒng)和驅動程序的支持下，Linux系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全的文件訪問。
相關問題拓展閱讀：
- linux內核源碼中如何加載自己的鉤子函數(shù)？
linux內核源碼中如何加載自己的鉤子函數(shù)？
（但不總是）位于 /usr/src/linux-。我們不會研究得過于詳細，因為 Linux 源代碼經(jīng)常會發(fā)生變化，但是，我們將嘗試讓給出的信息足以找出特定驅動程序或函數(shù)的位置。
Makefile：這個文件是整個源代碼樹的頂層 makefile。它定義了很多實用的變量和規(guī)則，比如默認的 gcc 編譯標記。
Documentation/：這個目錄中包含很多關于配置內核、運行 ramdisk 等任務的實用信息（但通常是過時的）。不過，與不同配置選項相應的幫助條目并不在這里 —— 它們在每個源代碼目錄的 Kconfig 文件中。
arch/：所有與體系結構相關的代碼都在這個目錄以及 include/a- 目錄中。在此目錄中，每種體系結構都有自己的目錄。例如，用于基于 PowerPC 的計算機的代碼位于 arch/ppc 目錄中。在這些目錄里，可薯數(shù)以找到底層內存管理、中斷處理、早期初始化、匯編例程，等等。
crypto/：這是內核本身所用的加密 API。
drivers/：按照慣例，在此目錄的子目錄中可以找到運行外圍設備的代碼。包括視頻驅動程序、網(wǎng)卡驅動程序、底層 SCSI 驅動程序，以及其他類似的驅動程序。例如，在 drivers/net 中可以找到大部分網(wǎng)卡驅動程序。將一類驅動程序組合在一起的某些更高層代碼，可能會（也可能不禪世會）像底層驅動程序本身那些包含在同一目錄中。
fs/：通用文件系統(tǒng)的代碼（稱做 VFS，即 Virtual File System）和各個不同文件系統(tǒng)的代碼都可以在這個目錄中找到。ext2 文件系統(tǒng)是在 Linux 中最常廣泛使用的文件系統(tǒng)之一；在 fs/ext2 中可以找到讀取 ext2 格式的代碼。并不是所有文件系統(tǒng)都會編譯或運行；對某些尋找內核項目的人而言，更生僻的文件系統(tǒng)永遠都是理想的候選者。
include/：在 .c 文件的開頭所包含的大部分頭文件都可以在這個目錄中找到。 a- 目錄下是與體系結構相關的包含（include ）文件。部分內核構建過程創(chuàng)建從 a 指定 a- 的符號鏈接。這樣，無需將其固定編碼到 .c 文件 #include 就可以獲得用于那個體系結構的正確文件。其他目錄中包含的是 非-體系結構-相關 的頭文件。如果在不只一個 .c 文件中使用了某個結構體、常量或者變量，那么它可能應該放入其中一個頭文件中。
init/：這個目錄中的文件包括 main.c、創(chuàng)建 早期用戶空間（early userspace） 的代碼，以及其他初始化代碼?？梢哉J為 main.c 是內核“粘合劑（glue）”。在下一部分將深入討論 main.c。早期用戶空間提供了 Linux 內核引導起來時所需要的功能，而這些功能并不需要在內核本身運行。
ipc/：IPC 的意思是 進程間通信（interprocess communication）。它包含了共享內存、信號量以及其他形式 IPC 的代碼。
kernel/：不適合放在任何其他位置的通用內核級代碼位于此處。這里有高層系統(tǒng)調用代碼，以及 printk() 代碼、調度程序、信號處理代碼，等等。文件名包含很多信息，所以可以使用 ls kernel/，并非能常準確地猜到每個文件的功能。
lib/：這里是對所有內核代碼都通用的實用例程。常見的字符串操作、調試例程，以及命令行解析代碼都位于此處。
mm/：這個目錄中是高層次內核管理代碼。聯(lián)合使用這些例程以及底層的與體系結構相關的例程（通常位于 arch//mm/ 目錄中）來實現(xiàn)虛擬內存（Virtual memory，VM）。在這里會完成早期內存管理（在內存子系統(tǒng)完全建立起來之前需要它），以及文件的內存映射、頁高速緩存管理、內存分配、RAM 中頁的清除（還有很多其他事情）。
net/：這里是高層網(wǎng)絡代碼。底層網(wǎng)絡驅動程序與此層次代碼交換數(shù)據(jù)包，這個層次的代碼可以根據(jù)數(shù)據(jù)包將數(shù)據(jù)傳遞給用戶層應用程序，或者丟棄數(shù)據(jù)，或者在內核中使用它。net/core 包含大部分不同的網(wǎng)絡協(xié)議都可以使用的代碼，和某些位賀手肢于 net/ 目錄本身中的文件一樣。特定的網(wǎng)絡協(xié)議在 net/ 的子目錄下實現(xiàn)。例如，在 net/ipv4 目錄中可以找到 IP（版本 4）代碼。
scripts/：這個目錄中包含的腳本可用于內核的構建，但并不將任何代碼加入到內核本身之中。例如，各種配置工具可以將它們的文件放在這里。
security/：在這里可以找到不同 Linux 安全模型的代碼，比如 NSA Security-Enhanced Linux 以及套接字和網(wǎng)絡安全鉤子函數(shù)（hooks），以及其他安全選項。
sound/：這里放置的是聲卡驅動程序和其他與聲音相關的代碼。
usr/：此目錄中的代碼用于構建包含 root 文件系統(tǒng)映像的 cpio-格式 的歸檔文件，用于早期用戶空間。
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