Linux内核 -- 字符设备之read write poll基本实现

Linux字符设备：read、write和poll函数实现及完整代码

1. read函数

原型

ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos);

实现步骤

1. 检查用户缓冲区：使用copy_to_user将数据从内核空间复制到用户空间。
2. 返回已读取的字节数：
   • 如果数据长度少于请求长度，返回实际读取的字节数。
   • 如果到达文件末尾，返回0。

注意事项

• 确保对用户缓冲区的访问是安全的。
• 返回值必须是已成功读取的字节数或错误码（如-EFAULT）。
• 考虑多线程情况下的并发访问，适当加锁。

示例代码

static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{char data[] = "Hello, World!\n";size_t datalen = strlen(data);if (*pos >= datalen)return 0;if (count > datalen - *pos)count = datalen - *pos;if (copy_to_user(buf, data + *pos, count))return -EFAULT;*pos += count;return count;
}

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2. write函数

原型

ssize_t write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos);

实现步骤

1. 验证用户数据：使用copy_from_user将数据从用户空间复制到内核空间。
2. 处理写入数据：通常会将数据存储到设备的内存区域或触发硬件操作。

注意事项

• 确保处理的是合法数据。
• 如果设备有缓冲区，需检查空间是否足够。
• 同样需要考虑多线程并发访问的问题。

示例代码

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{char kernel_buf[128];if (count > sizeof(kernel_buf) - 1)count = sizeof(kernel_buf) - 1;if (copy_from_user(kernel_buf, buf, count))return -EFAULT;kernel_buf[count] = '\0';printk(KERN_INFO "Received from user: %s\n", kernel_buf);*pos += count;return count;
}

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3. poll函数

原型

unsigned int poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait);

实现步骤

1. 注册等待队列：使用poll_wait将设备的等待队列添加到wait。
2. 返回设备状态：返回一个位掩码，指示设备的可读性、可写性等状态。

注意事项

• 确保等待队列正确唤醒。
• 返回值可以是POLLIN（可读）、POLLOUT（可写）等。
• 处理阻塞和非阻塞模式。

示例代码

static unsigned int my_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{unsigned int mask = 0;poll_wait(file, &my_wait_queue, wait);if (data_available)mask |= POLLIN | POLLRDNORM; // 可读if (space_available)mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; // 可写return mask;
}

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4. 完整代码示例

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>#define DEVICE_NAME "my_device"
#define BUFFER_SIZE 128static int major;
static char device_buffer[BUFFER_SIZE];
static size_t buffer_len = 0;static wait_queue_head_t my_wait_queue; // 声明等待队列
static int data_available = 0;         // 标志：是否有数据可供读取// read 实现
static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{if (buffer_len == 0) {if (file->f_flags & O_NONBLOCK)return -EAGAIN;// 等待数据可用wait_event_interruptible(my_wait_queue, data_available);if (buffer_len == 0) // 防止被中断唤醒但没有数据return -EINTR;}if (count > buffer_len)count = buffer_len;if (copy_to_user(buf, device_buffer, count))return -EFAULT;buffer_len = 0; // 数据被读取后清空缓冲区data_available = 0;return count;
}// write 实现
static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{if (count > BUFFER_SIZE - 1)count = BUFFER_SIZE - 1;if (copy_from_user(device_buffer, buf, count))return -EFAULT;device_buffer[count] = '\0';buffer_len = count;// 数据写入后唤醒等待的进程data_available = 1;wake_up_interruptible(&my_wait_queue);return count;
}// poll 实现
static unsigned int my_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{unsigned int mask = 0;poll_wait(file, &my_wait_queue, wait);if (buffer_len > 0)mask |= POLLIN | POLLRDNORM; // 数据可读if (buffer_len < BUFFER_SIZE)mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; // 可写入更多数据return mask;
}// 文件操作结构
static struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = my_read,.write = my_write,.poll = my_poll,
};// 模块初始化
static int __init my_init(void)
{major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &my_fops);if (major < 0) {printk(KERN_ALERT "Failed to register character device\n");return major;}init_waitqueue_head(&my_wait_queue); // 初始化等待队列printk(KERN_INFO "Device registered with major number %d\n", major);return 0;
}// 模块退出
static void __exit my_exit(void)
{unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);printk(KERN_INFO "Device unregistered\n");
}module_init(my_init);
module_exit(my_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device with wait queue.");