3.7. 读和写

3.7. 读和写

读和写方法都进行类似的任务, 就是, 从和到应用程序代码拷贝数据. 因此, 它们的原型相当相似, 可以同时介绍它们:

ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);

对于 2 个方法, filp 是文件指针, count 是请求的传输数据大小. buff 参数指向持有被写入数据的缓存, 或者放入新数据的空缓存. 最后, offp 是一个指针指向一个"long offset type"对象, 它指出用户正在存取的文件位置. 返回值是一个"signed size type"; 它的使用在后面讨论.

让我们重复一下, read 和 write 方法的 buff 参数是用户空间指针. 因此, 它不能被内核代码直接解引用. 这个限制有几个理由:

• 依赖于你的驱动运行的体系, 以及内核被如何配置的, 用户空间指针当运行于内核模式可能根本是无效的. 可能没有那个地址的映射, 或者它可能指向一些其他的随机数据.

• 就算这个指针在内核空间是同样的东西, 用户空间内存是分页的, 在做系统调用时这个内存可能没有在 RAM 中. 试图直接引用用户空间内存可能产生一个页面错, 这是内核代码不允许做的事情. 结果可能是一个"oops", 导致进行系统调用的进程死亡.

• 置疑中的指针由一个用户程序提供, 它可能是错误的或者恶意的. 如果你的驱动盲目地解引用一个用户提供的指针, 它提供了一个打开的门路使用户空间程序存取或覆盖系统任何地方的内存. 如果你不想负责你的用户的系统的安全危险, 你就不能直接解引用用户空间指针.

显然, 你的驱动必须能够存取用户空间缓存以完成它的工作. 但是, 为安全起见这个存取必须使用特殊的, 内核提供的函数. 我们介绍几个这样的函数(定义于 <asm/uaccess.h>), 剩下的在第一章"使用 ioctl 参数"一节中. 它们使用一些特殊的, 依赖体系的技巧来确保内核和用户空间的数据传输安全和正确.

scull 中的读写代码需要拷贝一整段数据到或者从用户地址空间. 这个能力由下列内核函数提供, 它们拷贝一个任意的字节数组, 并且位于大部分读写实现的核心中.

unsigned long copy_to_user(void __user *to,const void *from,unsigned long count); 
unsigned long copy_from_user(void *to,const void __user *from,unsigned long count); 

尽管这些函数表现象正常的 memcpy 函数, 必须加一点小心在从内核代码中存取用户空间. 寻址的用户也当前可能不在内存, 虚拟内存子系统会使进程睡眠在这个页被传送到位时. 例如, 这发生在必须从交换空间获取页的时候. 对于驱动编写者来说, 最终结果是任何存取用户空间的函数必须是可重入的, 必须能够和其他驱动函数并行执行, 并且, 特别的, 必须在一个它能够合法地睡眠的位置. 我们在第 5 章再回到这个主题.

这 2 个函数的角色不限于拷贝数据到和从用户空间: 它们还检查用户空间指针是否有效. 如果指针无效, 不进行拷贝; 如果在拷贝中遇到一个无效地址, 另一方面, 只拷贝部分数据. 在 2 种情况下, 返回值是还要拷贝的数据量. scull 代码查看这个错误返回, 并且如果它不是 0 就返回 -EFAULT 给用户.

用户空间存取和无效用户空间指针的主题有些高级, 在第 6 章讨论. 然而, 值得注意的是如果你不需要检查用户空间指针, 你可以调用 copy_to_user 和 copy_from_user 来代替. 这是有用处的, 例如, 如果你知道你已经检查了这些参数. 但是, 要小心; 事实上, 如果你不检查你传递给这些函数的用户空间指针, 那么你可能造成内核崩溃和/或安全漏洞.

至于实际的设备方法, read 方法的任务是从设备拷贝数据到用户空间(使用 copy_to_user), 而 write 方法必须从用户空间拷贝数据到设备(使用 copy_from_user). 每个 read 或 write 系统调用请求一个特定数目字节的传送, 但是驱动可自由传送较少数据 -- 对读和写这确切的规则稍微不同, 在本章后面描述.

不管这些方法传送多少数据, 它们通常应当更新 *offp 中的文件位置来表示在系统调用成功完成后当前的文件位置. 内核接着在适当时候传播文件位置的改变到文件结构. pread 和 pwrite 系统调用有不同的语义; 它们从一个给定的文件偏移操作, 并且不改变其他的系统调用看到的文件位置. 这些调用传递一个指向用户提供的位置的指针, 并且放弃你的驱动所做的改变.

图给 read 的参数表示了一个典型读实现是如何使用它的参数.

图 3.2. 给 read 的参数