4. cdev 结构体：初始化、注册与设备操作集

在 Linux 字符设备驱动中，cdev 是内核用于描述字符设备的核心结构体。它连接了设备编号、设备操作集 file_operations 以及设备实例。本章将深入剖析 cdev 的初始化、注册与注销流程，并详细解读 file_operations 中关键接口的实现规范。

4.1 cdev 结构体定义与核心字段

cdev 结构体定义在 <linux/cdev.h> 中，是字符设备在内核中的“身份证”。其核心字段如下：

字段	类型	说明
kobj	struct kobject	内核对象基类，用于设备模型、引用计数与 sysfs 管理
owner	struct module *	指向所属模块的指针，防止模块被意外卸载
ops	const struct file_operations *	设备操作集指针，驱动核心功能入口
list	struct list_head	用于将 cdev 链接到系统 cdev 链表
dev	dev_t	设备号（主设备号 + 次设备号）
count	unsigned int	关联的次设备号数量

4.2 cdev 初始化：静态与动态两种方式

驱动开发者有两种方式初始化 cdev 结构体：

4.2.1 静态初始化（运行时初始化）

使用 cdev_init() 函数，适用于 cdev 已分配内存（全局或动态分配）的场景：

#include <linux/cdev.h>

struct cdev my_cdev;

// 1. 初始化 cdev，绑定 file_operations
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);

// 2. 设置 owner 字段，防止模块被卸载
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

4.2.2 动态分配与初始化

使用 cdev_alloc() 函数，由内核自动分配 cdev 内存并初始化：

struct cdev *my_cdev;

my_cdev = cdev_alloc();
if (!my_cdev) {
    pr_err("Failed to allocate cdev\n");
    return -ENOMEM;
}

my_cdev->ops = &my_fops;
my_cdev->owner = THIS_MODULE;

4.3 cdev_add 与 cdev_del：注册与注销

初始化完成后，必须将 cdev 注册到内核，设备才能被系统识别。注销时则需从内核中移除。

4.3.1 cdev_add：向系统注册字符设备

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

• p：已初始化的 cdev 指针
• dev：设备起始编号（已通过 alloc_chrdev_region 或 register_chrdev_region 获取）
• count：关联的次设备号数量
• 返回值：0 成功，负值失败

4.3.2 cdev_del：从系统注销字符设备

void cdev_del(struct cdev *p);

• 该函数将 cdev 从内核链表中移除
• 调用后，设备文件不再关联到驱动
• 通常在模块卸载函数中调用

4.3.3 完整注册与注销流程

// 模块加载
static int __init my_driver_init(void)
{
    dev_t dev_num;
    int ret;

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

    // 2. 初始化 cdev
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 3. 注册 cdev
    ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
    if (ret < 0) {
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }

    return 0;
}

// 模块卸载
static void __exit my_driver_exit(void)
{
    dev_t dev_num = my_cdev.dev;

    // 1. 注销 cdev
    cdev_del(&my_cdev);

    // 2. 释放设备号
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

4.4 设备操作集 file_operations 详解

file_operations 是字符设备驱动的核心接口表，定义了用户空间通过系统调用操作设备文件时，内核应调用的驱动函数。其定义在 <linux/fs.h> 中。

4.4.1 核心成员与函数原型

成员	函数原型	触发系统调用	说明
open	int (*open)(struct inode *, struct file *)	open()	打开设备，进行初始化、权限检查、分配私有数据
release	int (*release)(struct inode *, struct file *)	close()	关闭设备，释放资源、递减引用计数
read	ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)	read()	从设备读取数据到用户空间
write	ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)	write()	从用户空间写入数据到设备
unlocked_ioctl	long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long)	ioctl()	设备控制命令，无大内核锁（现代驱动使用）
poll	__poll_t (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *)	select()/poll()/epoll()	查询设备是否可读/可写，支持 I/O 多路复用
mmap	int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *)	mmap()	将设备内存映射到用户空间

4.4.2 典型 file_operations 实例化

static const struct file_operations my_fops = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .open           = my_open,
    .release        = my_release,
    .read           = my_read,
    .write          = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
    .poll           = my_poll,
    .mmap           = my_mmap,
};

4.5 cdev、设备号与 file_operations 的关系

下图展示了 cdev、设备号、file_operations 以及 VFS 层之间的协作关系：

4.6 私有数据与 container_of 宏

在实际驱动中，通常需要将 cdev 嵌入到自定义的设备结构体中，以便在操作函数中访问设备私有数据。这是通过 container_of 宏实现的：

struct my_device {
    struct cdev cdev;        // 必须作为第一个成员（推荐）
    spinlock_t lock;
    void __iomem *base_addr;
    unsigned int buffer_size;
    // ... 其他私有数据
};

static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 从 inode->i_cdev 获取 cdev 指针，再通过 container_of 获取 my_device
    struct my_device *mydev = container_of(inode->i_cdev, struct my_device, cdev);

    // 将私有数据存入 file->private_data，供其他操作使用
    filp->private_data = mydev;

    return 0;
}

static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{
    struct my_device *mydev = filp->private_data;
    // ... 使用 mydev 进行读取操作
}

4.7 本章小结

• cdev 初始化：使用 cdev_init() 或 cdev_alloc()，并设置 owner 和 ops 字段。
• cdev_add：在设备号分配后调用，将设备注册到内核，调用后设备立即可用。
• cdev_del：在模块卸载时调用，从内核中移除设备。
• file_operations：驱动核心接口表，必须实现 open/release，根据需求实现 read/write/ioctl/poll 等。
• 私有数据管理：通过 container_of 和 file->private_data 实现设备实例与操作函数的绑定。