27. 文件和设备驱动

文件和文件描述符

Everything is a File

访问操作系统中的对象

文件：有 “名字” 的对象
字节流 (终端) 或字节序列 (普通文件；包括 /proc/*)

文件描述符

指向操作系统对象的 “指针”
- 通过指针可以访问 “everything”
对象的访问都需要指针
- open, close, read/write (解引用), lseek (指针内赋值/运算), dup (指针间赋值)

应用程序：访问文件

通过系统调用

open, read, write, mmap, …
(当然可以；我们实现过很多这样的程序了)

真的是这样吗？

求证：strace readelf -h /bin/ls
还有更多有趣的例子
- LC_ALL=zh_CN.UTF-8 strace readelf -h a.txt
- “不是 ELF 文件 - 它开头的 magic 字节错”？
  - (需要 language-pack-zh-hans)
  - 计算机世界没有魔法！

偏移量管理：行为

操作系统的每一个 API 都可能和其他 API 有交互

open 时，获得一个独立的 offset
dup 时，两个文件描述符共享 offset
fork 时，父子进程共享 offset
execve 时文件描述符不变
O_APPEND 打开，偏移量永远在最后 (无论是否 fork)
- modification of the file offset and the write operation are performed as a single atomic step

A fork() in the road

(在当时) 好的设计可能成为系统演化过程中的包袱

实现文件

Everything is a File

文件描述符可以访问 “一切”

操作系统内核是如何实现的？
如你所料：一个 switch-case

if(f->type == FD_PIPE){
  r = piperead(f->pipe, addr, n);
} else if(f->type == FD_DEVICE){
  if(f->major < 0 || f->major >= NDEV || !devsw[f->major].read)
    return -1;
  r = devsw[f->major].read(1, addr, n);
} else if(f->type == FD_INODE){
  ilock(f->ip);
  if((r = readi(f->ip, 1, addr, f->off, n)) > 0)
    f->off += r;
  iunlock(f->ip);
} else {
  panic("fileread");
}

如果是 /proc/[pid]/maps?

syscall 时，我们有 current

current 指向了 memory areas 的数据结构
- < 6.1: rbtree
- ≥ 6.1: maple tree (B-tree)
要记得上锁
上锁就可能出性能问题
- per-vma locks in userfaultfd

文件 = 实现了文件操作的 “Anything”

设备驱动程序

回顾：I/O 设备

一个能与 CPU 交换数据的接口/控制器

寄存器被映射到地址空间

操作系统：Everything is a file

只需要一个 struct file_operations 的实现

设备驱动程序

一个 struct file_operations 的实现

把系统调用 “翻译” 成与设备能听懂的数据
- 就是一段普通的内核代码

例子

devfs 中的 “虚拟” 文件
- /dev/pts/[x] - pseudo terminal
- /dev/zero, /dev/null (实现), /dev/random, …
procfs 中的 “虚拟文件”
- 只要实现读/写操作即可
- 例子：/proc/stat 的实现

驱动 Nuclear Launcher

我们也可以实现一个

把对 /dev/nuke0 “路由” 我们的 file_operations
向 GPIO 的 memory-mapped address 写入正确的电平

配置设备

设备不仅仅是数据，还有配置

打印机的卡纸、清洁、自动装订……
- 一台几十万的打印机可不是那么简单
键盘的跑马灯、重复速度、宏编程……
磁盘的健康状况、缓存控制……

两种实现方法

控制作为数据流的一部分 (ANSI Escape Code)
提供一个新的接口 (request-response)

ioctl

The ioctl() system call manipulates the underlying device parameters of special files. In particular, many operating characteristics of character special files (e.g., terminals) may be controlled with ioctl() requests. The argument fd must be an open file descriptor.

“非数据” 的设备功能几乎全部依赖 ioctl

“Arguments, returns, and semantics of ioctl() vary according to the device driver in question”

堆叠的冗余代码

设备的复杂性是无法降低的
- “就是有那么多功能”
- UNIX 的负担：复杂的 “hidden specifications”
  - 另一个负担：procfs

例子

终端：为什么 libc 能 “智能” 实现 buffer mode？
网卡，GPU，……
KVM Device

27. 文件和设备驱动

文件和文件描述符

Everything is a File

应用程序：访问文件

更多的细节 (1)

更多的细节 (2)

更多的细节 (3)

更多的细节 (4)

偏移量管理：行为

实现文件

Everything is a File

如果是 /proc/[pid]/maps?

设备驱动程序

回顾：I/O 设备

设备驱动程序

驱动 Nuclear Launcher

配置设备

ioctl