/dev 下的null, zero, random等文件是怎么来的

2020-03-07

这些设备文件定义在 linux/drivers/char/mem.c 的devlist 中。就像文件名和结构体名描述的，它们是基于内存的字符设备。

static const struct memdev {
	const char *name;
	umode_t mode;
	const struct file_operations *fops;
	fmode_t fmode;
} devlist[] = {
#ifdef CONFIG_DEVMEM
	 [1] = { "mem", 0, &mem_fops, FMODE_UNSIGNED_OFFSET },
#endif
#ifdef CONFIG_DEVKMEM
	 [2] = { "kmem", 0, &kmem_fops, FMODE_UNSIGNED_OFFSET },
#endif
	 [3] = { "null", 0666, &null_fops, 0 },
#ifdef CONFIG_DEVPORT
	 [4] = { "port", 0, &port_fops, 0 },
#endif
	 [5] = { "zero", 0666, &zero_fops, 0 },
	 [7] = { "full", 0666, &full_fops, 0 },
	 [8] = { "random", 0666, &random_fops, 0 },
	 [9] = { "urandom", 0666, &urandom_fops, 0 },
#ifdef CONFIG_PRINTK
	[11] = { "kmsg", 0644, &kmsg_fops, 0 },
#endif
};

文件系统初始化时，会调用chr_dev_init 函数，通过一个for 循环对devlist 中的这些设备进行初始化，并创建设备文件。

static int __init chr_dev_init(void)
{
    	int minor;

	if (register_chrdev(MEM_MAJOR, "mem", &memory_fops))
		printk("unable to get major %d for memory devs\n", MEM_MAJOR);

	mem_class = class_create(THIS_MODULE, "mem");
	if (IS_ERR(mem_class))
		return PTR_ERR(mem_class);

	mem_class->devnode = mem_devnode;
	for (minor = 1; minor < ARRAY_SIZE(devlist); minor++) {
		if (!devlist[minor].name)
			continue;

		/*
		 * Create /dev/port?
		 */
		if ((minor == DEVPORT_MINOR) && !arch_has_dev_port())
			continue;

		device_create(mem_class, NULL, MKDEV(MEM_MAJOR, minor),
			      NULL, devlist[minor].name);
	}

	return tty_init();
}

device_create 函数在linux/drivers/base/core.c 中，它是一个包裹函数，负责将参数传入并调用device_create_vargs 再调用实际干活的device_create_groups_vargs.

device_create_groups_vargs先通过device_initialize 负责初始化一个空的设备的结构体dev，之后根据从device_create 传进来的参数填充数据，最后调用device_add 函数，传入刚刚填好数据的dev，在/sys/devices 目录下创建目录结构(例如/sys/devices/virtual/mem/null) ，并在/sys/class 下创建软链接(例如/sys/class/mem/null/)，该目录下有设备的major:minor号，设备名称和权限等。

device_add 的最后，通过调用devtmpfs_create_node 函数，在devtmpfs，也就是/dev 目录下创建设备对应的文件(例如/dev/null)。

在/dev 下的设备文件创建完成后，就可以从用户态通过该文件对设备进行操作，不同的设备实现的fops 数量和方法也不同，其中null 和zero 的定义和实现都在 linux/drivers/char/mem.c 中：

static const struct file_operations null_fops = {
	.llseek		= null_lseek,
	.read		= read_null,
	.write		= write_null,
	.read_iter	= read_iter_null,
	.write_iter	= write_iter_null,
	.splice_write	= splice_write_null,
};
static const struct file_operations zero_fops = {
	.llseek		= zero_lseek,
	.write		= write_zero,
	.read_iter	= read_iter_zero,
	.write_iter	= write_iter_zero,
	.mmap		= mmap_zero,
	.get_unmapped_area = get_unmapped_area_zero,
#ifndef CONFIG_MMU
	.mmap_capabilities = zero_mmap_capabilities,
#endif
};

其中部分方法还是zero 和null 共用的，例如zero_lseek 和null_lseek（设置到文件起始位置），write_null 和write_zero 等就是同一个函数实现（只返回个数字，但不发生实际写入）：

#define zero_lseek	null_lseek
static loff_t null_lseek(struct file *file, loff_t offset, int orig)
{
	return file->f_pos = 0;
}
#define write_zero	write_null
static ssize_t write_null(struct file *file, const char __user *buf,
			  size_t count, loff_t *ppos)
{
	return count;
}

read_null 简单的返回一个0, 而read_iter_zero 则是通过memset 的方式向读buffer 写满0.

random 的实现在linux/drivers/char/random.c 中：

const struct file_operations random_fops = {
	.read  = random_read,
	.write = random_write,
	.poll  = random_poll,
	.unlocked_ioctl = random_ioctl,
	.compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
	.fasync = random_fasync,
	.llseek = noop_llseek,
};

它的方法实现也比较复杂，有兴趣可以去研究一下。