使用cat读取和echo写内核文件节点的一些问题

作者

pengdonglin137@163.com

彭东林

平台

busybox-1.24.2

Linux-4.10.17

Qemu+vexpress-ca9

概述

在写驱动的时候，我们经常会向用户空间导出一些文件，然后用户空间使用cat命令去读取该节点，从而完成kernel跟user的通信。但是有时会发现，如果节点对应的read回调函数写的有问题的话，使用cat命令后，节点对应的read函数会被频繁调用，log直接刷屏，而我们只希望read被调用一次，echo也是一样的道理。背后的原因是什么呢？如何解决呢？下面我们以debugfs下的节点读写为例说明一下。

正文

一、read和write的介绍

1、系统调用 read

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

这个函数会从fd表示的文件描述符中读取count个字节到buf缓冲区当中，返回值有下面几种：

如果返回值大于0，表示实际读到的字节数，返回0的话，表示读到了文件结尾，同时文件的file position也会被更新。实际读到的字节数可能会比count小。

如果返回-1，表示读取失败，errno会被设置为相应的值。

2、系统调用 write

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

这个函数将以buf为首地址的缓冲区当中的count个字节写到文件描述符fd表示的文件当中，返回值：

返回正整数，表示实际写入的字节数，返回0表示没有任何东西被写入，同时文件位置指针也会被更新

返回-1，表示写失败，同时errno会被设置为相应的值

3、LDD3上对驱动中实现的read回调函数的解释

原型： ssize_t (*read) (struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos);

fp 被打开的节点的文件描述符

user_buf表示的是用户空间的一段缓冲区的首地址，从kernel读取的数据需要存放该缓冲区当中

count表示用户期望读取的字节数

*ppos表示当前当前文件位置指针的大小，这个值会需要驱动程序自己来更新，初始大小是0

如果返回值等于传递给read系统调用的count参数，则说明所请求的字节数传输成功完成。这是最理想的情况

如果返回值是正的，但是比count小，则说明只有部分数据传输成功。这种情况下因设备的不同可能有许多原因。大部分情况下，程序会再次读数据。例如，如果用fread函数读数据，这个库函数就会不断调用系统调用，直至所请求的数据传输完毕为止

如果返回值为0，则表示已经达到了文件尾

负值意味着发生了错误，该值指明了发生了什么错误，错误码在<linux/errno.h>中定义。比如这样的一些错误：-EINTR（系统调用被中断）或者-EFAULT（无效地址）

4、LDD3上对驱动中实现的write回调函数的解释

原型： ssize_t (*write) (struct file *fp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos);

fp：被打开的要写的内核节点的文件描述符

user_buf：表示的是用户空间的一段缓冲区的首地址，其中存放的是用户需要传递给kernel的数据

count：用户期望写给kernel的字节数

*ppos：文件位置指针，需要驱动程序自己更新

如果返回值等于count，则完成了所请求数目的字节传输

如果返回值为正的，但小于count，则这传输了部分数据。程序很可能再次试图写入余下的数据

如果返回值为0，意味着什么也没有写入。这个结果不是错误，而且也没有理由返回一个错误码。再次重申，标准库会重复调用write

负值意味着发生了错误，与read相同，有效的错误码定义在<linux/errno.h>中

上面加粗的红色字体引起驱动中的write或者read被反复调用的原因。

二、简略的分析一下read和write系统调用的实现

在用户空间调用read函数后，内核函数vfs_read会被调用：

 1 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
 2 {
 3     ssize_t ret;
 4 
 5     if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
 6         return -EBADF;
 7     if (!(file->f_mode & FMODE_CAN_READ))
 8         return -EINVAL;
 9     if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))
10         return -EFAULT;
11 
12     ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count);
13     if (!ret) {
14         if (count > MAX_RW_COUNT)
15             count =  MAX_RW_COUNT;
16         ret = __vfs_read(file, buf, count, pos);
17         if (ret > 0) {
18             fsnotify_access(file);
19             add_rchar(current, ret);
20         }
21         inc_syscr(current);
22     }
23 
24     return ret;
25 }

下面是需要关注的：

第9行检查用户空间的buf缓冲区是否可以写入

第14行检查count的大小，这里MAX_RW_COUNT被设置为1个页的大小，这里的值是4KB，也就是一次用户一次read最多获得4KB数据

第16行调用__vfs_read，这个函数最终会调用到我们的驱动中的read函数，可以看到这个函数的参数跟驱动中的read函数一样，驱动中read返回的数字ret会返回给用户，这里并没有看到更新pos，所以需要在我们的驱动中自己去更新。

用户空间调用write函数后，内核函数vfs_write会被调用：

 1 ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
 2 {
 3     ssize_t ret;
 4 
 5     if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))
 6         return -EBADF;
 7     if (!(file->f_mode & FMODE_CAN_WRITE))
 8         return -EINVAL;
 9     if (unlikely(!access_ok(VERIFY_READ, buf, count)))
10         return -EFAULT;
11 
12     ret = rw_verify_area(WRITE, file, pos, count);
13     if (!ret) {
14         if (count > MAX_RW_COUNT)
15             count =  MAX_RW_COUNT;
16         file_start_write(file);
17         ret = __vfs_write(file, buf, count, pos);
18         if (ret > 0) {
19             fsnotify_modify(file);
20             add_wchar(current, ret);
21         }
22         inc_syscw(current);
23         file_end_write(file);
24     }
25 
26     return ret;
27 }

这里需要关注:

第9行，检查用户空间的缓冲区buf是否可以读

第15行，限制一次写入的数据最多为1页，比如4KB

第17行的_vfs_write的参数跟驱动中的write的参数一样，__vfs_write的返回值ret也就是用户调用write时的返回值，表示实际写入的字节数，这里也没有看到更新pos的代码，所以需要我们自己在驱动的write中实现

三、简略分析cat和echo的实现

由于使用的根文件系统使用busybox做的，所以cat和echo的实现在busybox的源码中，如下：

coreutils/cat.c

coreutils/echo.c

CAT：

下面简略分析cat的实现，cat的默认实现采用了sendfile，采用sendfile可以减少不必要的内存拷贝，从而提高读写效率，这就是所谓的Linux的“零拷贝”。为了便于代码分析，可以关闭这个功能，然后cat就会调用read和write实现了：

Busybox Settings --->

General Configuration --->

[ ] Use sendfile system call

下面是cat的核心函数：

以 cat xxx为例其中src_fd就是被打开的内核节点的文件描述符，dst_fd就是标准输出描述符，size是0

 1 static off_t bb_full_fd_action(int src_fd, int dst_fd, off_t size)
 2 {
 3     int status = -1;
 4     off_t total = 0;
 5     bool continue_on_write_error = 0;
 6     ssize_t sendfile_sz;
 7     char buffer[4 * 1024];   // 用户空间缓冲区，4KB大小
 8     enum { buffer_size = sizeof(buffer) };  // 每次read期望获得的字节数
 9 
10     sendfile_sz = 0;
11     if (!size) {
12         size =  (16 * 1024 *1024); // 刚开始，如传入的size是0，这里将size设置为16MB
13         status = 1; /* 表示一直读到文件结尾，也就是直到read返回0 */
14     }
15 
16     while (1) {
17         ssize_t rd;
18         
19         rd = safe_read(src_fd, buffer, buffer_size);  // 这里调用的就是read, 读取4KB，rd是实际读到的字节数
20         if (rd < 0) {
21             bb_perror_msg(bb_msg_read_error);
22             break;
23         }
24  read_ok:
25         if (!rd) { /* 表示读到了文件结尾，那么结束循环 */
26             status = 0;
27             break;
28         }
29         /* 将读到的内容输出到dst_fd表示的文件描述符 */
30         if (dst_fd >= 0 && !sendfile_sz) {
31             ssize_t wr = full_write(dst_fd, buffer, rd);
32             if (wr < rd) {
33                 if (!continue_on_write_error) {
34                     bb_perror_msg(bb_msg_write_error);
35                     break;
36                 }
37                 dst_fd = -1;
38             }
39         }
40         
41         total += rd;  // total记录的是读到的字节数的累计值
42         if (status < 0) { /* 如果传入的size不为0，那么status为-1，直到读到size个字节后，才会退出。如果size为0，这个条件不会满足 */
43             size -= rd;
44             if (!size) {
45                 /* 'size' bytes copied - all done */
46                 status = 0;
47                 break;
48             }
49         }
50     }
51  out:
52     return status ? -1 : total;  // 当读完毕，status为0，这里返回累计读到的字节数
53 }

从上面的分析我们知道如下信息：

使用cat xxx时，上面的函数传入的size为0，那么上面的while循环会一直进行read，直到出错或者read返回0，read返回0也就是读到文件结尾。最后如果出错，那么返回-1，否则的话，返回读到的累计的字节数。

到这里，应该就是知道为什么驱动中的read会被频繁调用了吧，也就是驱动中的read的返回值有问题。

ECHO：

echo的核心函数是full_write

这里fd是要写的内核节点，buf缓冲区中存放的是要写入的内容，len是buf缓冲区中存放的字节数

 1 ssize_t FAST_FUNC full_write(int fd, const void *buf, size_t len)
 2 {
 3     ssize_t cc;
 4     ssize_t total;
 5 
 6     total = 0;
 7 
 8     while (len) {
 9         cc = safe_write(fd, buf, len);
10 
11         if (cc < 0) {
12             if (total) {
13                 /* we already wrote some! */
14                 /* user can do another write to know the error code */
15                 return total;
16             }
17             return cc;  /* write() returns -1 on failure. */
18         }
19 
20         total += cc;
21         buf = ((const char *)buf) + cc;
22         len -= cc;
23     }
24 
25     return total;
26 }

上面的函数很简单，可以得到如下信息：

如果write的函数返回值cc小于len的话，会一直调用write，直到报错或者len个字节全部写完。而这里的cc对应的就是我们的驱动中write的返回值。最后，返回实际写入的字节数或者一个错误码。

到这里，应该也已经清除为什么调用一次echo后，驱动的write为什么会被频繁调用了吧，还是驱动中write的返回值的问题。

知道的上面的原因，下面我们结合一个简单的驱动看看。

四、实例分析

1、先看两个刷屏的例子

这个驱动在/sys/kernel/debug生成一个demo节点，支持读和写。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/debugfs.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>

static struct dentry *demo_dir;

static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	char kbuf[10];
	int ret, wrinten;

printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
		user_buf, count, *ppos);

wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");

ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten+1);
	if (ret != 0) {
		printk(KERN_ERR "read error");
		return -EIO;
	}

*ppos += wrinten;

return wrinten;
}

static ssize_t demo_write (struct file *fp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	char kbuf[10] = {0};
	int ret;

printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
	       user_buf, count, *ppos);

ret = copy_from_user(kbuf, user_buf, count);
	if (ret) {
		pr_err("%s: write error\n", __func__);
		return -EIO;
	}

*ppos += count;

return 0;
}

static const struct file_operations demo_fops = {
	.read = demo_read,
	.write = demo_write,
};

static int __init debugfs_demo_init(void)
{
	int ret = 0;

demo_dir = debugfs_create_file("demo", 0444, NULL,
		NULL, &demo_fops);

return ret;
}

static void __exit debugfs_demo_exit(void)
{
	if (demo_dir)
		debugfs_remove(demo_dir);
}

module_init(debugfs_demo_init);
module_exit(debugfs_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

 1 #include <linux/init.h>
 2 #include <linux/module.h>
 3 #include <linux/debugfs.h>
 4 #include <linux/fs.h>
 5 #include <asm/uaccess.h>
 6 
 7 static struct dentry *demo_dir;
 8 
 9 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
10 {
11     char kbuf[10];
12     int ret, wrinten;
13 
14     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
15         user_buf, count, *ppos);
16 
17     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
18 
19     ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten+1);
20     if (ret != 0) {
21         printk(KERN_ERR "read error");
22         return -EIO;
23     }
24 
25     *ppos += wrinten;
26 
27     return wrinten;
28 }
29 
30 static ssize_t demo_write (struct file *fp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
31 {
32     char kbuf[10] = {0};
33     int ret;
34 
35     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
36            user_buf, count, *ppos);
37 
38     ret = copy_from_user(kbuf, user_buf, count);
39     if (ret) {
40         pr_err("%s: write error\n", __func__);
41         return -EIO;
42     }
43 
44     *ppos += count;
45 
46     return 0;
47 }
48 
49 static const struct file_operations demo_fops = {
50     .read = demo_read,
51     .write = demo_write,
52 };
53 
54 static int __init debugfs_demo_init(void)
55 {
56     int ret = 0;
57 
58     demo_dir = debugfs_create_file("demo", 0444, NULL,
59         NULL, &demo_fops);
60 
61     return ret;
62 }
63 
64 static void __exit debugfs_demo_exit(void)
65 {
66     if (demo_dir)
67         debugfs_remove(demo_dir);
68 }
69 
70 module_init(debugfs_demo_init);
71 module_exit(debugfs_demo_exit);
72 MODULE_LICENSE("GPL");

我们先来看看运行结果：

先试试写：

[root@vexpress mnt]# echo 1 > /d/demo

执行这个命令并不会返回，会卡主，再看看kernel log，已经刷屏：

[ 1021.547015] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 0

[ 1021.547181] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 2

[ 1021.547319] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 4

[ 1021.547466] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 6

.... ....

[ 1022.008736] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 6014

[ 1022.008880] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 6016

[ 1022.009012] user_buf: 00202268, count: 2, ppos: 6018

... ...

再试试读：

[root@vexpress mnt]# cat /d/demo

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello... ...

可以看到，终端被Hello填满了，再看看kernel log，刷屏了：

[ 1832.074616] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 0

[ 1832.075033] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 5

[ 1832.075240] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 10

[ 1832.075898] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 15

[ 1832.076093] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 20

[ 1832.076282] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 25

[ 1832.076468] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 30

[ 1832.076653] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 35

[ 1832.076841] user_buf: becb6be8, count: 4096, ppos: 40

... ...

可以看到规律，对于write，每次的count都是2，因为写下来的是个字符串的"1"，ppos以2为台阶递增。此外，可以看到user_buf每次都相同，结合echo源码可以发现，用户的user_buf是在堆上分配的，所以地址比较小

对于read，每次要读的count都是4KB，ppos是以5为台阶递增，正好是strlen("Hello")，user_buf的值每次都相同，结合cat源码可以发现，用户的user_buf是在栈上分配的，所以地址比较大

下图是x86系统下Linux进程的进程地址空间的内存布局，这是只是说明一下意思。

下面开始分别针对write和read进行修改：

2、对write进行修改

write版本2：

既然经过前面的分析，知道write被频繁调用的原因是用户调用write实际写入的字节数小于期望的，而用户的write的返回值来自驱动的write，那么我们直接然write返回count不就可以了吗。

 1 static ssize_t demo_write (struct file *fp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10] = {0};
 4     int ret;
 5 
 6     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
 7           user_buf, count, *ppos);
 8 
 9     ret = copy_from_user(kbuf, user_buf, count);
10     if (ret) {
11         pr_err("%s: write error\n", __func__);
12         return -EIO;
13     }
14 
15     *ppos += count;
16 
17     return count;
18 }

验证：

[root@vexpress mnt]# echo 1 > /d/demo

敲完回车后，立马就返回了，kernel log也只打印了一次：

[ 2444.363351] user_buf: 00202408, count: 2, ppos: 0

write版本3：

其实，kernel提供了一个很方便的函数，simple_write_to_buffer，这个函数专门完成从user空间向kernel空间拷贝数据：

1 static ssize_t demo_write (struct file *fp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
2 {
3     char kbuf[10] = {0};
4 
5     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
6            user_buf, count, *ppos);
7 
8     return simple_write_to_buffer(kbuf, sizeof(kbuf), ppos, user_buf, count);
9 }

验证：

[root@vexpress mnt]# echo 1 > /d/demo

敲完回车后，立马就返回了，kernel log也只打印了一次：

[ 2739.984844] user_buf: 00202340, count: 2, ppos: 0

简单看看simple_write_to_buffer的实现：

 1 /**
 2  * simple_write_to_buffer - copy data from user space to the buffer
 3  * @to: the buffer to write to
 4  * @available: the size of the buffer
 5  * @ppos: the current position in the buffer
 6  * @from: the user space buffer to read from
 7  * @count: the maximum number of bytes to read
 8  *
 9  * The simple_write_to_buffer() function reads up to @count bytes from the user
10  * space address starting at @from into the buffer @to at offset @ppos.
11  *
12  * On success, the number of bytes written is returned and the offset @ppos is
13  * advanced by this number, or negative value is returned on error.
14  **/
15 ssize_t simple_write_to_buffer(void *to, size_t available, loff_t *ppos,
16         const void __user *from, size_t count)
17 {
18     loff_t pos = *ppos;
19     size_t res;
20 
21     if (pos < 0)
22         return -EINVAL;
23     if (pos >= available || !count)
24         return 0;
25     if (count > available - pos)
26         count = available - pos;
27     res = copy_from_user(to + pos, from, count);
28     if (res == count)
29         return -EFAULT;
30     count -= res;
31     *ppos = pos + count;
32     return count;
33 }
34 EXPORT_SYMBOL(simple_write_to_buffer);

可以看到，最后返回的是count，如果copy_from_user没都拷贝全，将来write还是会被再次调用。

3、对read进行修改

我们知道read被返回调用的原因是，read返回的值小于用户期望读取的值，对于这里，就是4KB。而对于cat来说，每次read都期望获取4KB的数据，而且在不考虑出错的情况下，只有read返回0，cat才会终止。

read版本2：

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int ret, wrinten;
 5 
 6     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
 7         user_buf, count, *ppos);
 8 
 9     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
10 
11     ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten+1);
12     if (ret != 0) {
13         printk(KERN_ERR "read error");
14         return -EIO;
15     }
16 
17     *ppos += wrinten;
18 
19     return 0;
20 }

static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)

验证：

[root@vexpress mnt]# cat /d/demo

执行回车后，"Hello"却没有输出，但是驱动的read驱动被调用了一次：

[ 118.837456] user_buf: beeb0be8, count: 4096, ppos: 0

这是什么原因呢？可以看看cat的核心函数bb_full_fd_action，其中，如果read返回0，并不会将读到的内容输出到标准输出上，所以cat的时候什么都没看到。

既然返回0不行，那么返回count，也就是用户期望的4KB，行不行呢？

read版本3：

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int ret, wrinten;
 5 
 6     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
 7         user_buf, count, *ppos);
 8 
 9     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
10 
11     ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten+1);
12     if (ret != 0) {
13         printk(KERN_ERR "read error");
14         return -EIO;
15     }
16 
17     *ppos += wrinten;
18 
19     return count;
20 }

验证：

[root@vexpress mnt]# cat /d/demo

ȸT�/mnt/busybox�u0�$@^ξ��вu��\ξl��$@��

可以看到，输出内容中有一些乱七八糟的东西。再看看kernel log，依然刷屏：

[ 339.079698] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 0

[ 339.080124] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 5

[ 339.085525] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 10

[ 339.085886] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 15

[ 339.087018] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 20

[ 339.098798] user_buf: bece4be8, count: 4096, ppos: 25

... ...

什么原因呢？我们知道，如果驱动的read返回4KB，表示用户读到了4KB的数据，但是实际上用户的buffer中只有前5个字节是从kernel读到的，其他的都是用户的buffer缓冲区中的垃圾数据，由于read返回的一直都是4KB，所以会一直read，直到返回0，所以刷屏了。其实，kernel提供了清除用户buffer的函数：clear_user，这样就不会输出乱码了，但是还是会刷屏，

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int ret, wrinten;
 5 
 6     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
 7         user_buf, count, *ppos);
 8 
 9     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
10 
11     if (clear_user(user_buf, count)) {
12         printk(KERN_ERR "clear error\n");
13         return -EIO;
14     }
15 
16     ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten+1);
17     if (ret != 0) {
18         printk(KERN_ERR "read error\n");
19         return -EIO;
20     }
21 
22     *ppos += wrinten;
23 
24     return count;
25 }

上面的这种改动只是不会输出乱码了，但是还是会刷屏。

read版本4：

那该怎么办呢？我们试试kernel提供的simple_read_from_buffer看看行不行，这个函数专门完成从kernel空间向user空间拷贝数据：

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int wrinten;
 5 
 6     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
 7         user_buf, count, *ppos);
 8 
 9     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
10 
11     if (clear_user(user_buf, count)) {
12         printk(KERN_ERR "clear error\n");
13         return -EIO;
14     }
15 
16     return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos, kbuf, wrinten);
17 }

验证：

[root@vexpress mnt]# cat /d/demo

Hello

可以看到，cat没有刷屏，确实输出了我们想要的结果，那kernel log呢？

[ 479.457637] user_buf: bec61be8, count: 4096, ppos: 0

[ 479.458268] user_buf: bec61be8, count: 4096, ppos: 5

还不错，驱动的write被调用了两次，为什么呢？我们结合simple_read_from_buffer的实现来看看：

 1 /**
 2  * simple_read_from_buffer - copy data from the buffer to user space
 3  * @to: the user space buffer to read to
 4  * @count: the maximum number of bytes to read
 5  * @ppos: the current position in the buffer
 6  * @from: the buffer to read from
 7  * @available: the size of the buffer
 8  *
 9  * The simple_read_from_buffer() function reads up to @count bytes from the
10  * buffer @from at offset @ppos into the user space address starting at @to.
11  *
12  * On success, the number of bytes read is returned and the offset @ppos is
13  * advanced by this number, or negative value is returned on error.
14  **/
15 ssize_t simple_read_from_buffer(void __user *to, size_t count, loff_t *ppos,
16                 const void *from, size_t available)
17 {
18     loff_t pos = *ppos;
19     size_t ret;
20 
21     if (pos < 0)
22         return -EINVAL;
23     if (pos >= available || !count)
24         return 0;
25     if (count > available - pos)
26         count = available - pos;
27     ret = copy_to_user(to, from + pos, count);
28     if (ret == count)
29         return -EFAULT;
30     count -= ret;
31     *ppos = pos + count;
32     return count;
33 }
34 EXPORT_SYMBOL(simple_read_from_buffer);

第一次read是ppos是0，读完毕之后，ppos变成了5。我们知道，cat不甘心，因为没有返回0，所以紧接着又调用了一次read，这次的ppos为5，上面的第23行代码生效了，available是5，所以直接返回了0，然后cat就乖乖的退出了。

read版本5：

因为我们想实现cat的时候，驱动的read只调用一次，同时还要保证cat能输出读到的内容，我们可以做如下修改：

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int wrinten;
 5 
 6     if (*ppos)
 7         return 0;
 8 
 9     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
10         user_buf, count, *ppos);
11 
12     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
13 
14     if (clear_user(user_buf, count)) {
15         printk(KERN_ERR "clear error\n");
16         return -EIO;
17     }
18 
19     return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos, kbuf, wrinten);
20 }

在第6行，先判断*ppos的值，我们知道第一次调用驱动read时，*ppos是0，读完毕后，*ppos会被更新，第二次*ppos便不为0.

验证：

[root@vexpress mnt]# cat /d/demo

Hello

用户空间没有刷屏，达到了我们的目的，kernel的log也只有一行：

[ 1217.948729] user_buf: beb88be8, count: 4096, ppos: 0

也就是驱动的read确实被调用了一次。其实我们知道，驱动的read还是被调用了两次，只不多第二次没有什么干什么活，直接就返回了，不会影响我们的驱动逻辑。

也可以不用内核提供的接口：

read版本6：

 1 static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
 2 {
 3     char kbuf[10];
 4     int ret, wrinten;
 5 
 6     if (*ppos)
 7         return 0;
 8 
 9     printk(KERN_INFO "user_buf: %p, count: %d, ppos: %lld\n",
10         user_buf, count, *ppos);
11 
12     wrinten = snprintf(kbuf, 10, "%s", "Hello");
13 
14     if (clear_user(user_buf, count)) {
15         printk(KERN_ERR "clear error\n");
16         return -EIO;
17     }
18 
19 
20     ret = copy_to_user(user_buf, kbuf, wrinten);
21     if (ret != 0) {
22         printk(KERN_ERR "copy error\n");
23         return -EIO;
24     }
25 
26     *ppos += wrinten;
27 
28     return wrinten;
29 }

效果跟前一个一样。

完。

posted @ 2017-12-09 21:37 摩斯电码阅读(8353) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

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摩斯电码

Linux内核工程师，计算机底层技术爱好者

使用cat读取和echo写内核文件节点的一些问题

作者

平台

概述

正文

一、read和write的介绍

二、简略的分析一下read和write系统调用的实现

三、简略分析cat和echo的实现

四、实例分析

公告