4. 字符设备驱动基础（二）：cdev 结构体、设备号的动态分配、设备节点的自动创建

在上一章中，我们通过一个最简单的字符设备驱动了解了模块的加载与卸载。本章将深入字符设备驱动的核心数据结构 cdev，并解决驱动开发中的两个关键问题：设备号管理与设备节点自动创建。掌握这些内容后，你将能够编写出更规范、更实用的字符设备驱动。

4.1 cdev 结构体：字符设备的内核抽象

在 Linux 内核中，每个字符设备都由一个 struct cdev 结构体表示。它是连接用户空间文件操作与内核驱动函数的桥梁。

4.1.1 cdev 结构体定义

cdev 结构体定义在 <linux/cdev.h> 中，其核心成员如下：

成员	类型	描述
kobj	struct kobject	内核对象基类，用于设备模型管理
owner	struct module *	指向所属模块的指针，通常设为 THIS_MODULE
ops	const struct file_operations *	指向文件操作结构体，定义 open/read/write 等回调
list	struct list_head	用于将 cdev 挂入系统链表
dev	dev_t	设备号（主设备号 + 次设备号）
count	unsigned int	该设备管理的次设备号数量

4.1.2 cdev 初始化与注册流程

使用 cdev 的标准流程分为三步：

1. 分配 cdev 对象：使用 cdev_alloc() 或静态定义。
2. 初始化 cdev：调用 cdev_init() 绑定 file_operations。
3. 注册 cdev：调用 cdev_add() 将设备加入内核。

// 示例：cdev 初始化与注册
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>

static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_num;

static const struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .release = my_release,
};

static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    // 1. 初始化 cdev 结构体
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 2. 注册 cdev（假设 dev_num 已分配）
    ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");
        return ret;
    }
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    cdev_del(&my_cdev);  // 注销 cdev
}

4.1.3 cdev 生命周期 SVG 图

4.2 设备号的动态分配

设备号由主设备号（major）和次设备号（minor）组成，类型为 dev_t。传统方式使用静态分配（register_chrdev_region），但容易造成冲突。现代驱动推荐使用动态分配。

4.2.1 动态分配 API

函数	原型	说明
alloc_chrdev_region	int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int baseminor, unsigned int count, const char *name)	动态分配设备号，由内核自动选择主设备号
register_chrdev_region	int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned int count, const char *name)	静态分配，需指定起始设备号（不推荐）
unregister_chrdev_region	void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned int count)	释放已分配的设备号

4.2.2 动态分配标准代码片段

// 动态分配设备号
static dev_t my_dev_num;

static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    // 动态分配：起始次设备号 0，数量 1，设备名 "my_device"
    ret = alloc_chrdev_region(&my_dev_num, 0, 1, "my_device");
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");
        return ret;
    }

    printk(KERN_INFO "Allocated device number: major=%d, minor=%d\n",
           MAJOR(my_dev_num), MINOR(my_dev_num));

    // 后续：cdev_init + cdev_add
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(my_dev_num, 1);  // 释放设备号
    printk(KERN_INFO "Device number released\n");
}

4.2.3 设备号分配流程 SVG 图

4.3 设备节点的自动创建：udev / mdev

传统驱动需要手动使用 mknod 创建设备节点，效率低且易出错。现代 Linux 系统通过 udev（桌面/服务器）或 mdev（嵌入式 busybox）实现设备节点的自动创建。

4.3.1 自动创建机制原理

当驱动调用 cdev_add() 后，内核会通过 kobject_uevent 向用户空间发送 ADD 事件。udev/mdev 监听该事件，根据设备信息自动在 /dev 目录下创建节点。

驱动需要配合完成以下工作：

1. 创建 设备类（class）：使用 class_create()。
2. 创建设备：使用 device_create()，指定类、设备号、设备名。
3. 清理时销毁：使用 device_destroy() 和 class_destroy()。

4.3.2 完整代码示例

// 自动创建设备节点完整示例
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/module.h>

static struct class *my_class;
static struct device *my_device;
static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_num;

static const struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .release = my_release,
};

static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    // 1. 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
    if (ret < 0) return ret;

    // 2. 初始化并注册 cdev
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
    if (ret < 0) {
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }

    // 3. 创建设备类
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    if (IS_ERR(my_class)) {
        cdev_del(&my_cdev);
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return PTR_ERR(my_class);
    }

    // 4. 创建设备节点（自动在 /dev 下生成 my_device0）
    my_device = device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_device%d", 0);
    if (IS_ERR(my_device)) {
        class_destroy(my_class);
        cdev_del(&my_cdev);
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return PTR_ERR(my_device);
    }

    printk(KERN_INFO "Device my_device0 created successfully\n");
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    device_destroy(my_class, dev_num);  // 销毁设备
    class_destroy(my_class);            // 销毁类
    cdev_del(&my_cdev);                 // 注销 cdev
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1); // 释放设备号
    printk(KERN_INFO "Module exited\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.3.3 udev 与 mdev 对比

特性	udev	mdev
适用场景	桌面/服务器 Linux	嵌入式 Linux（busybox）
依赖	libudev、systemd	busybox mdev
配置文件	/etc/udev/rules.d/	/etc/mdev.conf
事件处理	异步、支持复杂规则	同步、规则简单
资源占用	较大	极小
自动创建节点	是	是

4.3.4 设备节点自动创建流程 SVG 图

4.4 本章小结