4. cdev 结构体：初始化、注册、注销与设备文件关联

在 Linux 字符设备驱动模型中，struct cdev 是内核用于表示字符设备的核心数据结构。每个字符设备在内核中都必须对应一个 cdev 实例，驱动开发者通过操作该结构体完成设备的注册与注销，并建立设备文件与驱动操作函数的关联。

4.1 cdev 结构体定义

struct cdev 定义在 <linux/cdev.h> 中，其关键字段如下：

4.2 cdev 初始化

在分配 cdev 实例后，必须对其进行初始化。内核提供两种初始化方式：

4.2.1 静态初始化：cdev_init()

当 cdev 作为结构体成员或全局变量时，使用 cdev_init()：

#include <linux/cdev.h>

struct cdev my_cdev;

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);

该函数完成以下工作：

• 将 cdev->ops 指向传入的 fops
• 初始化 cdev->kobj，设置其类型为 kobj_type_cdev
• 初始化 cdev->list 链表节点
• 将 cdev->owner 置为 NULL（需驱动手动设置）

4.2.2 动态分配：cdev_alloc()

当需要动态分配 cdev 实例时，使用 cdev_alloc()：

struct cdev *cdev_alloc(void);

该函数在内核堆中分配 struct cdev 并返回指针，同时自动完成初始化。使用后必须通过 cdev_del() 释放。

4.3 cdev_add：注册设备

初始化完成后，调用 cdev_add() 将设备注册到内核：

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

返回值： 成功返回 0，失败返回负的错误码（如 -ENOMEM）。

cdev_add() 执行后，内核会将 cdev 加入全局散列表，设备立即可被用户态程序访问。因此，必须在调用 cdev_add() 之前完成所有初始化工作，包括设置 owner 字段。

4.4 cdev_del：注销设备

在模块卸载或设备移除时，调用 cdev_del() 从内核中注销设备：

void cdev_del(struct cdev *cdev);

该函数执行以下操作：

• 从内核全局设备链表中移除该 cdev
• 等待所有正在进行的文件操作（open/read/write）完成
• 若 cdev 由 cdev_alloc() 分配，则释放内存

4.5 设备与文件的关联机制

当用户态程序调用 open("/dev/mydevice", O_RDWR) 时，内核通过以下路径完成设备文件到 cdev 的关联：

1. VFS 层： 根据文件路径找到对应的 inode，从 inode->i_rdev 中提取设备号
2. 内核查找： 根据设备号在全局 cdev_map 散列表中查找对应的 cdev 实例
3. 绑定操作表： 将 inode->i_cdev 指向找到的 cdev，并将 file->f_op 设置为 cdev->ops
4. 调用 open： 若 file_operations 中定义了 open 方法，则调用之

4.6 完整生命周期流程图

下图展示了 cdev 从初始化到注销的完整生命周期，以及设备文件打开时的关联路径：

4.7 完整代码示例

以下代码展示了字符设备驱动中 cdev 的完整生命周期管理：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

#define DEVICE_NAME "mychardev"
#define CLASS_NAME  "mychar"

static int major;
static struct class *myclass = NULL;
static struct device *mydevice = NULL;
static struct cdev my_cdev;

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device opened\n");
    return 0;
}

static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device closed\n");
    return 0;
}

static struct file_operations my_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
};

static int __init my_init(void) {
    dev_t dev_num;
    int ret;

    /* 1. 动态分配设备号 */
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        pr_err("Failed to allocate device number\n");
        return ret;
    }
    major = MAJOR(dev_num);
    pr_info("Allocated major number %d\n", major);

    /* 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) {
        pr_err("Failed to add cdev\n");
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }

    /* 4. 创建设备类与设备文件（自动生成 /dev/mychardev） */
    myclass = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
    if (IS_ERR(myclass)) {
        pr_err("Failed to create class\n");
        cdev_del(&my_cdev);
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return PTR_ERR(myclass);
    }

    mydevice = device_create(myclass, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(mydevice)) {
        pr_err("Failed to create device\n");
        class_destroy(myclass);
        cdev_del(&my_cdev);
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return PTR_ERR(mydevice);
    }

    pr_info("Module loaded successfully\n");
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void) {
    dev_t dev_num = MKDEV(major, 0);

    /* 按注册逆序释放资源 */
    device_destroy(myclass, dev_num);
    class_destroy(myclass);
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

    pr_info("Module unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Kernel Expert");
MODULE_DESCRIPTION("cdev lifecycle example");

4.8 常见错误与调试要点