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Linux内核驱动中对文件的读写

有时候需要在Linux kernel–大多是在需要调试的驱动程序–中读写文件数据。在kernel中操作文件没有标准库可用,需要利用kernel的一些函数,这些函数主 要有: filp_open() filp_close(), vfs_read() vfs_write(),set_fs(),get_fs()等,这些函数在linux/fs.h和asm/uaccess.h头文件中声明。

作者:佚名来源:嵌入式Linux中文站|2017-08-01 17:34

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Linux内核驱动中对文件的读写

有时候需要在Linux kernel–大多是在需要调试的驱动程序–中读写文件数据。在kernel中操作文件没有标准库可用,需要利用kernel的一些函数,这些函数主 要有: filp_open() filp_close(), vfs_read() vfs_write(),set_fs(),get_fs()等,这些函数在linux/fs.h和asm/uaccess.h头文件中声明。下面介绍主要步骤

1. 打开文件

filp_open()在kernel中可以打开文件,其原形如下:

strcut file* filp_open(const char* filename, int open_mode, int mode);

该函数返回strcut file*结构指针,供后继函数操作使用,该返回值用IS_ERR()来检验其有效性。

参数说明

filename: 表明要打开或创建文件的名称(包括路径部分)。在内核中打开的文件时需要注意打开的时机,很容易出现需要打开文件的驱动很早就加载并打开文件,但需要打开的文件所在设备还不有挂载到文件系统中,而导致打开失败。

open_mode: 文件的打开方式,其取值与标准库中的open相应参数类似,可以取O_CREAT,O_RDWR,O_RDONLY等。

mode: 创建文件时使用,设置创建文件的读写权限,其它情况可以匆略设为0

2. 读写文件

kernel中文件的读写操作可以使用vfs_read()和vfs_write,在使用这两个函数前需要说明一下get_fs()和 set_fs()这两个函数。

vfs_read() vfs_write()两函数的原形如下:

ssize_t vfs_read(struct file* filp, char __user* buffer, size_t len, loff_t* pos);

ssize_t vfs_write(struct file* filp, const char __user* buffer, size_t len, loff_t* pos);

注意这两个函数的第二个参数buffer,前面都有__user修饰符,这就要求这两个buffer指针都应该指向用户空间的内存,如果对该参数传 递kernel空间的指针,这两个函数都会返回失败-EFAULT。但在Kernel中,我们一般不容易生成用户空间的指针,或者不方便独立使用用户空间 内存。要使这两个读写函数使用kernel空间的buffer指针也能正确工作,需要使用set_fs()函数或宏(set_fs()可能是宏定义),如 果为函数,其原形如下:

void set_fs(mm_segment_t fs);

该函数的作用是改变kernel对内存地址检查的处理方式,其实该函数的参数fs只有两个取值:USER_DS,KERNEL_DS,分别代表 用户空间和内核空间,默认情况下,kernel取值为USER_DS,即对用户空间地址检查并做变换。那么要在这种对内存地址做检查变换的函数中使用内核 空间地址,就需要使用set_fs(KERNEL_DS)进行设置。get_fs()一般也可能是宏定义,它的作用是取得当前的设置,这两个函数的一般用 法为:

mm_segment_t old_fs;

old_fs = get_fs();

set_fs(KERNEL_DS);

…… //与内存有关的操作

set_fs(old_fs);

还有一些其它的内核函数也有用__user修饰的参数,在kernel中需要用kernel空间的内存代替时,都可以使用类似办法。

使用vfs_read()和vfs_write()最后需要注意的一点是最后的参数loff_t * pos,pos所指向的值要初始化,表明从文件的什么地方开始读写。

3. 关闭读写文件

int filp_close(struct file*filp, fl_owner_t id);

该函数的使用很简单,第二个参数一般传递NULL值,也有用current->files作为实参的。

使用以上函数的其它注意点:

1. 其实Linux Kernel组成员不赞成在kernel中独立的读写文件(这样做可能会影响到策略和安全问题),对内核需要的文件内容,最好由应用层配合完成。

2. 在可加载的kernel module中使用这种方式读写文件可能使模块加载失败,原因是内核可能没有EXPORT你所需要的所有这些函数。

3. 分析以上某些函数的参数可以看出,这些函数的正确运行需要依赖于进程环境,因此,有些函数不能在中断的handle或Kernel中不属于任可进程的代码 中执行,否则可能出现崩溃,要避免这种情况发生,可以在kernel中创建内核线程,将这些函数放在线程环境下执行(创建内核线程的方式请参数 kernel_thread()函数)。

在VFS的支持下,用户态进程读写 任何类型的文件系统都可以使用read和write着两个系统调用,但是在linux内核中没有这样的系统调用我们如何操作文件呢?我们知道read和 write在进入内核态之后,实际执行的是sys_read和sys_write,但是查看内核源代码,发现这些操作文件的函数都没有导出(使用 EXPORT_SYMBOL导出),也就是说在内核模块中是不能使用的,那如何是好?

通过查看sys_open的源码我 们发现,其主要使用了do_filp_open()函数,该函数在fs/namei.c中,而在改文件中,filp_open函数也是调用了 do_filp_open函数,并且接口和sys_open函数极为相似,调用参数也和sys_open一样,并且使用EXPORT_SYMBOL导出 了,所以我们猜想该函数可以打开文件,功能和open一样。使用同样的查找方法,我们找出了一组在内核中操作文件的函数,如下:

功能 函数原型
打开文件 struct file *filp_open(const char *filename, int flags, int mode)
读取文件 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
写文件 ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
关闭文件 int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id)

我们注意到在vfs_read和vfs_write函数中,其参数buf指向的用户空间的内存地址,如果我们直接使用内核空间的指针,则会返回-EFALUT。所以我们需要使用

set_fs()和get_fs()宏来改变内核对内存地址检查的处理方式,所以在内核空间对文件的读写流程为:

  1. mm_segment_t fs = get_fs(); 
  2. set_fs(KERNEL_FS); 
  3. //vfs_write(); 
  4. vfs_read(); 
  5. set_fs(fs);  

下面为一个在内核中对文件操作的例子:

  1. #include <linux/module.h> 
  2. #include <linux/init.h> 
  3. #include <linux/fs.h> 
  4. #include <linux/uaccess.h> 
  5. static char buf[] = "你好"
  6. static char buf1[10]; 
  7. int __init hello_init(void) 
  8.     struct file *fp; 
  9.     mm_segment_t fs; 
  10.     loff_t pos; 
  11.     printk("hello enter\n"); 
  12.     fp = filp_open("/home/niutao/kernel_file", O_RDWR | O_CREAT, 0644); 
  13.     if (IS_ERR(fp)) { 
  14.         printk("create file error\n"); 
  15.         return -1; 
  16.     } 
  17.     fs = get_fs(); 
  18.     set_fs(KERNEL_DS); 
  19.     pos = 0; 
  20.     vfs_write(fp, buf, sizeof(buf), &pos); 
  21.     pos = 0; 
  22.     vfs_read(fp, buf1, sizeof(buf), &pos); 
  23.     printk("read: %s\n", buf1); 
  24.     filp_close(fp, NULL); 
  25.     set_fs(fs); 
  26.     return 0; 
  27. void __exit hello_exit(void) 
  28.     printk("hello exit\n"); 
  29. module_init(hello_init); 
  30. module_exit(hello_exit); 
  31. MODULE_LICENSE("GPL"); 

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