对于struct file_operations中ioctl消失的学习笔记

2024-02-05 16:48
文章标签 学习 笔记 消失 file struct ioctl operations

本文主要是介绍对于struct file_operations中ioctl消失的学习笔记，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

     很久都没有写驱动代码了，对于一些驱动相关的内核变化也没有怎么关心。这次重游《LDD3》获益良多，其值对于struct file_operations中ioctl的消失也让我长了不少见识。
当年看《LDD3》的时候已经注意到了书中对ioctl的评价不是很好：“ioctl调用的非结构化本质导致众多内核开发者倾向于放弃它。” ，而在这次阅读3.0代码的时候，这个成员在struct file_operations中早已消失了。这个激起了我学习的兴趣，以下是对这个ioctl的学习小结：

1、消失的确切时间
    ioctl的消失到底是从哪个版本开始的？网上给出的时间是2.6.36开始。网上就是这么说，但是自己必须找到代码中的证据。于是我通过git搜索主线内核代码，找到的删除ioctl的那个提交：

  1. commit b19dd42faf413b4705d4adb38521e82d73fa4249
  2. Author: Arnd Bergmann <arnd@arndb.de>
  3. Date: Sun Jul 4 00:15:10 2010 +0200
  4. bkl: Remove locked .ioctl file operation
  5. The last user is gone, so we can safely remove this
  6. Signed-off-by: Arnd Bergmann <arnd@arndb.de>
  7. Cc: John Kacur <jkacur@redhat.com>
  8. Cc: Al Viro <viro@ZenIV.linux.org.uk>
  9. Cc: Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
  10. Signed-off-by: Frederic Weisbecker <fweisbec@gmail.com>

好不容易找到了这个提交，好的，这样就可以确定消失的时间了：

  1. git tag --contains b19dd42
  2. v2.6.36
  3. v2.6.36-rc1
  4. v2.6.36-rc2
  5. v2.6.36-rc3
  6. v2.6.36-rc4
  7. v2.6.36-rc5
  8. v2.6.36-rc6
  9. v2.6.36-rc7
  10. v2.6.36-rc8
  11. ......以下省略ooxx行

可以证明ioctl消失的版本是v2.6.35到v2.6.36-rc1间，于是我导出了v2.6.35到v2.6.36-rc1的补丁，果真在其中！
git diff v2.6.35..v2.6.36-rc1 > ../temp.patch

补丁过大不易上传，请自行生成。

2、消失的原因

   简单的概括：这次ioctl的消失，并不是要把ioctl清理出去，而是要逐步的清理大内核锁（BKL）。

   这个让ioctl消失的过渡期长达5年，从2005年开始内核黑客就开始替换ioctl了。具体的原因在lwn.net中有一篇很好的文章：The new way of ioctl()。我将他翻译了一下：ioctl()的新方法（必看）

   当然，顺便了解一下大内核锁也是很有必要的：转载好文：《大内核锁将何去何从》

3、ioctl的替代者

    对于原来的ioctl，其实可以叫做locked ioctl。这个其实是相对于他的替代方法来讲的。我们来看看2.6.35以前在struct file_operations中有关ioctl的成员：

  1. /*
  2.  * NOTE:
  3.  * read, write, poll, fsync, readv, writev, unlocked_ioctl and compat_ioctl
  4.  * can be called without the big kernel lock heldin all filesystems.
  5.  */
  6. struct file_operations {
  7.     struct module *owner;
  8.     loff_t (*llseek)(struct file*, loff_t,int);
  9.     ssize_t (*read)(struct file*, char __user*, size_t, loff_t*);
  10.     ssize_t (*write)(struct file*,const char __user*, size_t, loff_t*);
  11.     ssize_t (*aio_read)(struct kiocb*,const struct iovec*, unsigned long, loff_t);
  12.     ssize_t (*aio_write)(struct kiocb*,const struct iovec*, unsigned long, loff_t);
  13.     int (*readdir)(struct file*, void*, filldir_t);
  14.     unsigned int (*poll)(struct file*, struct poll_table_struct*);
  15.     int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
  16.     long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  17.     long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  18.     int (*mmap)(struct file*, struct vm_area_struct*);
  19.     int (*open)(struct inode*, struct file*);
  20.     int (*flush)(struct file*, fl_owner_t id);
  21.     int (*release)(struct inode*, struct file*);
  22.     int (*fsync)(struct file*, struct dentry*,int datasync);
  23.     int (*aio_fsync)(struct kiocb*,int datasync);
  24.     int (*fasync)(int, struct file*,int);
  25.     int (*lock)(struct file*,int, struct file_lock*);
  26.     ssize_t (*sendpage)(struct file*, struct page*,int, size_t, loff_t*,int);
  27.     unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file*, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
  28.     int (*check_flags)(int);
  29.     int (*flock)(struct file*,int, struct file_lock*);
  30.     ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info*, struct file*, loff_t*, size_t, unsignedint);
  31.     ssize_t (*splice_read)(struct file*, loff_t*, struct pipe_inode_info*, size_t, unsignedint);
  32.     int (*setlease)(struct file*, long, struct file_lock**);
  33. };

这个结构体其实是在过渡期的结构体，unlocked_ioctl就是ioctl的替代者。对于新的驱动，不要再使用ioctl了，而是使用unlocked_ioctl。

4、调用ioctl与unlocked_ioctl在内核代码上的不同

   其实ioctl与unlocked_ioctl所对应的系统调用都是ioctl。但是在应用层调用ioctl的时候，对于我们实现ioctl或者unlocked_ioctl有什么不同呢？这里我们可以追溯一下ioctl系统调用代码的执行过程，这里我简单的写出这个系统调用对于设备驱动（一般是设备驱动使用ioctl）的执行顺序：(fs/ioctl.c)

 SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)--->do_vfs_ioctl---> vfs_ioctl

而ioctl与unlocked_ioctl的区别就体现在了这个vfs_ioctl中，我们先来看ioctl被删除前的函数：

  1. /**
  2.  * vfs_ioctl -call filesystem specific ioctl methods
  3.  * @filp:    open fileto invoke ioctl methodon
  4.  * @cmd:    ioctl commandto execute
  5.  * @arg:    command-specific argumentfor ioctl
  6.  *
  7.  * Invokes filesystem specific ->unlocked_ioctl,if one exists; otherwise
  8.  * invokes filesystem specific ->ioctl method.If neither method exists,
  9.  * returns -ENOTTY.
  10.  *
  11.  * Returns 0 on success,-errnoon error.
  12.  */
  13. static long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
  14.          unsigned long arg)
  15. {
  16.     int error=-ENOTTY;

  18.     if (!filp->f_op)
  19.         goto out;

  21.     if (filp->f_op->unlocked_ioctl){
  22.         error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);
  23.         if (error==-ENOIOCTLCMD)
  24.             error = -EINVAL;
  25.         goto out;
  26.     } elseif(filp->f_op->ioctl){
  27.         lock_kernel();
  28.         error = filp->f_op->ioctl(filp->f_path.dentry->d_inode,
  29.                      filp, cmd, arg);
  30.         unlock_kernel();
  31.     }

  33.  out:
  34.     return error;
  35. }

从这个函数中我们可以看出：

  1. ioctl是受到大内核锁保护的，而unlocked_ioctl是直接执行的。
  2. unlocked_ioctl优先级高于ioctl，如果存在unlocked_ioctl，则执行unlocked_ioctl，否则才执行ioctl。这个优先级的产生明显是为了过渡。

而在ioctl被删除后，vfs_ioctl函数也做了相应的改变（Linux-3.0）：

  1. /**
  2.  * vfs_ioctl -call filesystem specific ioctl methods
  3.  * @filp:    open fileto invoke ioctl methodon
  4.  * @cmd:    ioctl commandto execute
  5.  * @arg:    command-specific argumentfor ioctl
  6.  *
  7.  * Invokes filesystem specific ->unlocked_ioctl,if one exists; otherwise
  8.  * returns -ENOTTY.
  9.  *
  10.  * Returns 0 on success,-errnoon error.
  11.  */
  12. static long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
  13.          unsigned long arg)
  14. {
  15.     int error=-ENOTTY;

  17.     if (!filp->f_op||!filp->f_op->unlocked_ioctl)
  18.         goto out;

  20.     error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);
  21.     if (error==-ENOIOCTLCMD)
  22.         error = -EINVAL;
  23.  out:
  24.     return error;
  25. }

5、在驱动编程时的注意事项

  • 在注册文件操作方法的结构体struct file_operations的时候原先的.ioctl=OOXX;替换为 .unlocked_ioctl=OOXX;
  • 但是要注意ioctl和unlocked_ioctl的定义有一点不同：unlocked_ioctl少了一个inode参数。但是如果方法中真的需要其中的数据，可以通过filp->f_dentry->d_inode获得。
  • 由于失去了大内核锁的保护，所以必须在unlocked_ioctl方法中自行实现锁机制，以保证不会在操作设备的时候（特别在SMP系统中）产生竞态。（也就实现了用小锁替换大锁）

这篇关于对于struct file_operations中ioctl消失的学习笔记的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/681559。

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