05-Linux 文件系统与设备文件

5.1 Linux 文件操作

5.1.1 文件操作系统调用

++用户空间与驱动交互的第一入口是系统调用++ 。++驱动工程师必须清楚每个系统调用最终会落到 **file_operations**的哪个成员++：

系统调用	典型 C 库函数	VFS 层	最终调用的 `file_operations`
`open`	`open()`、`fopen()`	`do_sys_openat2()`	`.open`
`read`	`read()`、`fread()`	`vfs_read()`	`.read` 或 `.read_iter`
`write`	`write()`、`fwrite()`	`vfs_write()`	`.write` 或 `.write_iter`
`lseek`	`lseek()`、`fseek()`	`vfs_llseek()`	`.llseek`
`ioctl`	`ioctl()`	`do_vfs_ioctl()`	`.unlocked_ioctl`（64 位）/ `.compat_ioctl`（32 位兼容）
`mmap`	`mmap()`	`vm_mmap_pgoff()`	`.mmap`（7.2.5 中还有新的 `.mmap_prepare`）
`poll`/`select`/`epoll`	`poll()`、`epoll_wait()`	`do_sys_poll()` 等	`.poll`
`fsync`	`fsync()`	`vfs_fsync()`	`.fsync`
`close`	`close()`、`fclose()`	`filp_close()`	`.flush`（每次 close）与 `.release`（最后一个引用）
`fcntl(F_SETOWN/FASYNC)`	`fcntl()`	`do_fcntl()`	`.fasync`

关键概念：

struct inode 代表"文件本身"（设备号、权限、大小），一个文件只有一份。
struct file 代表"一次打开" （偏移量、标志、私有数据），每次 open 一份。
file->private_data 是驱动最常用的"把本次打开关联到自己的数据结构"的钩子（第 6 章会用到）。
flush vs release ：++flush 每次 close() 都调用（因为 dup 出来的多个 fd 各自 close）；release 只在最后一个引用消失时调用。不要把资源释放放在 flush 里++。

最小示例：

cpp 复制代码

int fd = open("/dev/globalmem", O_RDWR);
if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }

char buf[64] = "hello";
write(fd, buf, 5);                 /* → 驱动 .write */
lseek(fd, 0, SEEK_SET);            /* → 驱动 .llseek */
read(fd, buf, sizeof(buf));        /* → 驱动 .read */
ioctl(fd, MY_CMD, 0);              /* → 驱动 .unlocked_ioctl */
close(fd);                         /* → 驱动 .flush 与 .release */

5.1.2 C 库文件操作

标准 C 库在系统调用之上加了一层用户空间缓冲 （FILE * + setvbuf）：

cpp 复制代码

FILE *fp = fopen("/dev/globalmem", "r+");
setvbuf(fp, NULL, _IONBF, 0);      /* 访问设备时建议关闭缓冲，避免"写不进去"的错觉 */
fwrite("abc", 1, 3, fp);
fflush(fp);                        /* 必须：否则数据可能还在用户空间缓冲里 */
fclose(fp);

设备文件场景的经验：

用 stdio 访问设备容易误判：printf/fwrite 之后没有 fflush，驱动根本没收到数据。
用 mmap 访问设备时要按页对齐（offset 与 addr 必须是 sysconf(_SC_PAGESIZE) 的倍数）。
用 O_NONBLOCK、O_SYNC、O_DIRECT 等标志会影响驱动的行为路径（第 8 章）。

5.2 Linux 文件系统

5.2.1 文件系统目录结构

cpp 复制代码

/           根文件系统（rootfs，可以是 initramfs 的 tmpfs）
├── bin, sbin, lib, usr     可执行文件与库
├── dev/                    设备文件（devtmpfs）
│   ├── console, null, zero, tty
│   ├── ttyS0               串口
│   ├── ram0, vda           块设备
│   ├── input/event0        输入设备
│   └── gpiochip0           GPIO 字符设备
├── proc/                   procfs：进程与内核状态
├── sys/                    sysfs：设备模型（/sys/bus, /sys/class, /sys/devices）
│   ├── kernel/config       configfs（挂载后）
│   └── kernel/debug        debugfs（挂载后）
├── etc/                    配置
├── tmp/, run/, mnt/        临时与挂载点
└── lib/modules/            内核模块

启动时的挂载顺序（本手册的 initramfs 脚本）：

bash 复制代码

mount -t proc      none /proc
mount -t sysfs     none /sys
mount -t devtmpfs  none /dev
mount -t debugfs   none /sys/kernel/debug
mount -t configfs  none /sys/kernel/config

5.2.2 文件系统与设备驱动

关键认知：设备文件不是"文件系统上的普通文件"，它是"设备号的容器"。

因此：

设备文件可以放在任何文件系统上（devtmpfs、tmpfs、甚至磁盘上的 ext4）。
++同一个设备可以有多个设备节点++（不同路径、同样 major/minor，指向同一驱动）。
++删除设备节点不影响驱动 ，驱动仍在；反之驱动卸载后设备节点可能仍在（此时 open 返回 ENODEV）++。
++主设备号标识驱动，次设备号标识实例++。

bash 复制代码

# 观察设备号
ls -l /dev/null /dev/zero /dev/ttyS0

# 手工创建设备节点（等价于 udev 做的事）
mknod /tmp/mynull c 1 3        # 1:3 就是 /dev/null
cat /proc/devices              # 查看已注册的主设备号（字符/块分开列）
ls -l /sys/dev/char/1:3/       # 反查该设备号对应的 sysfs 设备

5.3 devfs（历史，已被删除）

原书详细分析了 devfs 的机制与其缺陷。在 7.2.5 中 devfs 已经完全不存在，但理解它的历史很重要，因为它是"内核自动管理设备节点"的第一代方案。

对比项	devfs（已删除）	devtmpfs + udev（现代）
出现时间	2.3 时代	devtmpfs 2.6.32；udev 2.6 初
设备节点位置	内核直接创建的虚拟文件系统	内核创建 devtmpfs（设备节点由内核填好）
命名策略	内核决定，难以定制	用户空间（udev 规则）决定
持久化命名	不支持	支持（by-id/by-path/by-uuid）
权限控制	内核	用户空间（规则 + ACL + 组）
热插拔	内核通知	内核 uevent → udev
状态	已删除	标准方案

devfs 失败的核心原因：把策略（怎么命名、给什么权限）放进了内核。现代设计把它交给用户空间，内核只提供事实（uevent）与默认节点（devtmpfs）。

但 devtmpfs 仍然需要内核配合：

bash 复制代码

CONFIG_DEVTMPFS=y           # 内核提供 devtmpfs
CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT=y     # 内核自动挂载到 /dev（不是 initramfs 场景时常需要）

设备节点从哪来？驱动注册 device_create()（或 cdev_device_add()）时，device 模型的 class devnode 回调会生成默认节点名，devtmpfs 据此创建节点。所以：

写字符设备驱动时，正确做法是注册到设备模型（class + device），而不是自己 mknod。

5.4 udev 用户空间设备管理

5.4.1 udev 与 devfs 的区别

维度	devfs	udev
运行位置	内核	用户空间守护进程（`systemd-udevd`）
触发机制	内核内部	内核发 uevent → netlink → udev
命名规则	内核写死	规则文件（`/etc/udev/rules.d/*.rules`）
权限设置	内核写死	规则中的 `OWNER`/`GROUP`/`MODE`/`TAG`
可扩展性	差	好（可调用外部程序、设置符号链接、触发脚本）
依赖	无	sysfs（必须已挂载）

5.4.2 sysfs 文件系统与 Linux 设备模型

sysfs 是设备模型在用户空间的投影（Documentation/filesystems/sysfs.rst）。四层结构：

bash 复制代码

/sys/devices/   按物理拓扑组织的"真实"设备树（唯一的真实来源）
/sys/bus/       按总线分类：/sys/bus/i2c/devices/, /sys/bus/platform/drivers/
/sys/class/     按功能分类：/sys/class/net/, /sys/class/gpio/, /sys/class/leds/
/sys/block/     （兼容符号链接到 /sys/class/block/）
/sys/dev/       按设备号索引：/sys/dev/char/1:3, /sys/dev/block/8:0
/sys/module/    按模块分类

同一设备会出现在多个视图里，都是符号链接：

bash 复制代码

ls -l /sys/class/net/eth0            # 指向 ../../devices/.../net/eth0
ls -l /sys/bus/pci/devices/0000:00:03.0
readlink -f /sys/class/net/eth0

驱动如何暴露属性 （现代写法，优先 dev_groups）：

cpp 复制代码

static ssize_t counter_show(struct device *dev,
                            struct device_attribute *attr, char *buf)
{
        struct my_dev *priv = dev_get_drvdata(dev);
        return sysfs_emit(buf, "%u\n", priv->counter);   /* 用 sysfs_emit，不要用 sprintf */
}

static ssize_t counter_store(struct device *dev,
                             struct device_attribute *attr,
                             const char *buf, size_t count)
{
        struct my_dev *priv = dev_get_drvdata(dev);
        unsigned int val;

        if (kstrtouint(buf, 0, &val))
                return -EINVAL;
        priv->counter = val;
        return count;
}
static DEVICE_ATTR_RW(counter);

static struct attribute *my_dev_attrs[] = {
        &dev_attr_counter.attr,
        NULL,
};
ATTRIBUTE_GROUPS(my_dev_attrs);

static struct platform_driver my_driver = {
        .driver = {
                .name  = "my-dev",
                .dev_groups = my_dev_groups,   /* 绑定后自动创建属性 */
        },
};

规则：sysfs 属性是"一个值一个文件" ，读写必须是文本、每次一个值、不做复杂解析；不要把 sysfs 当 ioctl 用（Documentation/filesystems/sysfs.rst 有明确说明）。复杂控制请用 ioctl/netlink/configfs/debugfs。

5.4.3 udev 的组成

bash 复制代码

内核 (kobject_uevent)
    |  通过 netlink 广播 uevent（含 ACTION/DEVPATH/SUBSYSTEM/MAJOR/MINOR/...）
    v
udevd (systemd-udevd)
    |  读取 /etc/udev/udev.conf、/usr/lib/udev/rules.d、/etc/udev/rules.d
    |  按规则匹配 → 设置属性 → 创建符号链接 → 设置权限 → 执行 RUN 程序
    v
/dev 下的设备节点与符号链接

观察 uevent（宿主或 guest 有 udev 时）：

bash 复制代码

udevadm monitor --kernel --udev          # 实时观察内核与 udev 事件
udevadm info -a -p /sys/class/net/eth0   # 查看设备的全部属性
udevadm info -q all -n /dev/vda          # 按设备节点查询
udevadm control --reload-rules           # 修改规则后重载
udevadm trigger                          # 重新触发一次事件

在 initramfs 里没有 udev 怎么办？两种方案：

依赖 devtmpfs 的默认节点 （本手册默认方案）：内核会把节点建好，名字就是 dev_name() 的结果。
用 busybox mdev（轻量替代）：

bash 复制代码

# /init 中
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s            # 扫描 /sys 并创建 /dev 下的节点

5.4.4 udev 规则文件

规则语法（详见 man 7 udev）：

bash 复制代码

# /etc/udev/rules.d/70-mydevice.rules
# 匹配条件用 ==，赋值用 =，追加用 +=
SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="1234", ATTR{idProduct}=="5678", \
        MODE="0660", GROUP="plugdev", SYMLINK+="myusb"

KERNEL=="ttyS[0-9]*", MODE="0666"

# 给 I²C 设备设置稳定名字
SUBSYSTEM=="i2c-dev", KERNELS=="i2c-0", SYMLINK+="i2c/primary"

# 只对特定序列号的存储设备建立 by-id 链接
ACTION=="add", SUBSYSTEM=="block", ATTRS{serial}=="ABC123", SYMLINK+="disk/mydisk"

要点：

匹配键：KERNEL（节点名）、SUBSYSTEM、ATTR/ATTRS（sysfs 属性）、DRIVERS、ENV、TAG、TEST。
动作键：NAME、SYMLINK、MODE、OWNER、GROUP、ENV、RUN、TAG。
ATTR 只查当前设备，ATTRS 会沿父设备向上查找（常用来找 USB 的 Vendor/Product）。
规则文件名数字前缀决定顺序（60-、70-、99-）。
调试：udevadm test /sys/class/net/eth0（会打印每条规则的匹配过程）。

持久化命名的价值 ：/dev/sda 会随插拔顺序变化，而 /dev/disk/by-id/...、/dev/disk/by-uuid/... 是稳定的。产品代码与脚本都应该用后者。

bash 复制代码

ls -l /dev/disk/by-id/ /dev/disk/by-path/ /dev/disk/by-uuid/
blkid

5.5 总结

系统调用 → VFS → file_operations 是用户空间访问设备的标准路径；inode/file/private_data 是必须理解的三件套。
设备文件本质是"设备号 + 类型"，可以手工 mknod，但正确做法是注册到设备模型让内核/udev 自动创建。
devfs 已被删除，devtmpfs + udev（或 busybox mdev）是 7.2.5 的标准方案；内核提供事实，用户空间决定策略。
sysfs 是设备模型的用户空间视图；驱动用 dev_groups 暴露简单属性，复杂接口用 ioctl/netlink/configfs/debugfs。
udev 规则是实现稳定命名、权限控制与自动动作的关键，调试用 udevadm monitor/test。