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深入理解 Linux 驱动中的 file_operations：从 C 语言函数指针到类比 C++ 虚函数表

news 2025/8/31 16:10:35

深入理解 Linux 驱动中的 file_operations：从 C 语言函数指针到类比 C++ 虚函数表

在 Linux 字符设备驱动开发中，struct file_operations 是最核心的结构之一。它是用户空间和内核驱动之间的桥梁。很多初学者第一次看到下面这样的代码时，往往会一头雾水：

static const struct file_operations fops = {.owner   = THIS_MODULE,.open    = led_open,.write   = led_write,.release = led_close,
};

为什么要定义这样一个结构体？为什么里面全是函数指针？这些函数什么时候会被调用？这一切其实和 C 语言的函数指针机制密切相关，甚至可以和 C++ 的虚函数表对应起来。本文就来一步步讲清楚。

一、C 语言函数指针的基础

在 C 语言里，函数本质上也是一段内存中的代码，因此函数也有自己的地址。函数指针就是用来保存函数地址的变量。

例如，我们先定义一个普通函数：

#include <stdio.h>// 定义一个普通函数，接受两个整数，返回它们的和
int add(int a, int b) {return a + b;
}

然后定义一个函数指针，并指向这个函数：

int main() {// 定义一个函数指针，能指向 “接受两个 int 参数并返回 int”的函数int (*func_ptr)(int, int);// 让函数指针指向 add 函数func_ptr = add;// 通过函数指针调用 add，相当于执行 add(2, 3)int result = func_ptr(2, 3);printf("result = %d\n", result);  // 输出 result = 5return 0;
}

可以看到，函数指针就是把函数名的“地址”存到一个变量里，然后通过这个变量间接调用函数。

二、结构体中的函数指针

函数指针不仅可以单独使用，还可以放在结构体中。这样就能把一组操作方法“打包”在一个结构体里。

例如，我们模拟一个“操作”结构体：

#include <stdio.h>// 定义一个结构体，里面放两个函数指针
struct operations {void (*say_hello)(void);   // 指向一个打印 hello 的函数void (*say_bye)(void);     // 指向一个打印 bye 的函数
};// 定义两个具体的函数
void hello_func(void) {printf("Hello!\n");
}void bye_func(void) {printf("Bye!\n");
}int main() {// 定义一个结构体变量 ops，并填充函数指针struct operations ops = {.say_hello = hello_func,.say_bye   = bye_func,};// 调用函数指针，就像虚函数一样实现了“动态调用”ops.say_hello(); // 输出 Hello!ops.say_bye();   // 输出 Bye!return 0;
}

这样，一个结构体就能代表“一套操作方法”。这和 Linux 驱动里的 struct file_operations 是完全一样的思路。

三、Linux 驱动中的 file_operations

Linux 内核中，struct file_operations 就是专门用来描述一个设备文件能做什么操作的结构体。它里面放了很多函数指针，例如：

.open：当用户调用 open("/dev/xxx") 时会执行的函数
.read：当用户调用 read(fd, buf, size) 时会执行的函数
.write：当用户调用 write(fd, buf, size) 时会执行的函数
.release：当用户调用 close(fd) 时会执行的函数

我们来看一个实际的驱动代码片段（以 LED 灯驱动为例），并加上详细注释：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>#define DEV_NAME "led_drv"// 1. open 函数，当应用层 open("/dev/led_drv") 时调用
static int led_open(struct inode *inode, struct file *file) {printk("led_open called\n");return 0;
}// 2. write 函数，当应用层 write(fd, buf, size) 时调用
static ssize_t led_write(struct file *file, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos) {printk("led_write called, user wants to send %zu bytes\n", count);return count; // 假装写成功
}// 3. release 函数，当应用层 close(fd) 时调用
static int led_close(struct inode *inode, struct file *file) {printk("led_close called\n");return 0;
}// 定义 file_operations 结构体，并把函数指针填进去
static const struct file_operations fops = {.owner   = THIS_MODULE,   // 一般写 THIS_MODULE，用来防止模块被卸载.open    = led_open,      // open 对应 led_open.write   = led_write,     // write 对应 led_write.release = led_close,     // close 对应 led_close
};static int major; // 保存主设备号// 模块加载时执行
static int __init led_init(void) {major = register_chrdev(0, DEV_NAME, &fops); printk("led driver loaded, major = %d\n", major);return 0;
}// 模块卸载时执行
static void __exit led_exit(void) {unregister_chrdev(major, DEV_NAME);printk("led driver unloaded\n");
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

这段代码的核心就在于 fops，它把 open、write、release 等操作函数“挂”到了设备上。以后应用层调用相应的系统调用时，内核就会根据这个表找到驱动里的对应函数。

四、和 C++ 虚函数表的类比

如果你熟悉 C++，会发现这和“虚函数表”的机制非常类似。

在 C++ 里，一个含有虚函数的类，编译器会为它生成一张“虚函数表”（vtable），里面存放虚函数的地址。通过基类指针调用虚函数时，实际上就是查这张表，然后跳转到对应的实现。
在 Linux 驱动里，file_operations 就是一张“函数指针表”。当用户空间调用系统调用时，内核就会查这张表，然后调用驱动里对应的函数。

两者的共同点是：