本章开始讲解char device drivers.
在linux中设备可通过文件进行访问，在/dev目录下，有很多device，通过ls -l可以看到这些device有major/minor number。majoy number用来表明该device和哪个driver关联，minor number被kernel用来确定当前被使用的是哪个device，因为同一个driver可以驱动多个device，每个device share同样的major number，但是具有不同的minor number。
major number可以在driver中指定，也可以在runtime动态的分配。如果希望静态获取，可以调用register_chrdev_region，参数中指定major numbr和range，kernel来决定是否满足driver的请求；也可以通过alloc_chrdev_region的方式动态申请。需要释放的时候，调用unregister_chrdev_region。因为静态分配的方式有可能失败，有很多major number是被占用的，最好通过动态分配的方式来获取major number。
下面是一些重要的数据结构：
1. File Operations
file operations用来把device number和device driver关联起来。file operations里面是各种各样的函数指针，包含了可以对device进行的各种操作，比如open/close/mmap等，都会在file operations里有对应的实现。下面是file operations里具体的member:
a) struct module *owner
指向当前的module，一般被初始化成THIS_MODULE，用来防止driver正在被使用的时候被unload。
b) loff_t (*llseek) (struct file *, lofft_t, int);
用来改变文件中当前的读/写位置，新的位置作为返回值。lofft_t即便在32位系统中也是64bits的值。如果出错，返回负值。如果这个函数为NULL，seek将会以难以预测的方式运行。
c) ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)
用来读取设备中的数据。如果为NULL，read将会返回-EINVAL。如果读取成功，返回成功读取数据的长度。
d) ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t *)
异步读数据，函数返回时，数据可能还没读取完成。如果为NULL，kernel调用read实现。
e) ssize_t (*write) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)
向设备写数据，如果为NULL，write调用直接返回-EINVAL。如果成功，返回写入的数据长度。
f) ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t *)
异步写数据，函数返回时，数据可能还没写完。
g) int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t)
设备文件为NULL，文件系统才需要使用readdir。
h) unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *)
设备驱动中的poll对应用户态的三个系统调用：poll, epoll 和 select，都是用来查询针对一个或者多个file descriptor的读写操作是否能以non-block的方式完成，返回值是bit mask，这个function在读写的资源不可用时，可以把当前的process设成睡眠，直到请求的资源可用。如果poll为NULL，表示读写都是block的方式。
i) int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
ioctl用于实现device driver特定的一些操作，如果为NULL，不能被kernel识别的ioctl就会返回-ENOTTY.
j) int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
mmap可以把device的memory映射到当前的进程地址空间中，并在用户态进行直接访问。如果为NULL，调用返回-ENODEV.
k) int (*open) (struct inode *, struct file *);
当device被打开时，open被调用，可以在open里初始化device driver相关的内容。也可以不实现，如果为NULL，相当于device被打开时，driver没有被通知。
l) int (*flush) (struct file *);
当进程关闭了device的fd时，flush被调用，用于将未完成或者pending的操作做完，device driver用的很少了。
m) int (*release) (struct inode *, struct file *);
当file被释放时，release函数会被调用，也可以为NULL。
n）int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);
承接user mode的fsync，用于flush data。
o）int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int);
异步的fsync。
p）int (*fasync) (int, struct file *, int);
如果device的FASYNC flag发生变化，这个函数被调用。可以为NULL。
剩下的一些function这里不再列，因为device driver已经很少会用到。
2. File Structure
struct file，定义在<linux/fs.h>，代表一个被打开的文件，系统里的任何文件被打开，都会有一个对应的file struct。当kernel的open被调用时，file struct就会创建，直到file被引用的instance变为0，file struct就会被释放，通常kernel里看到的filp就是指向file structure的指针。
3. inode structure
inode是kernel内部使用，用以表示file。一个file可以被多次打开，因此可能有多个file structure，但是都对应同一个inode。
a）dev_t i_rdev;
包含了真正的device number。但是不推荐直接读取，应该使用kernel提供的macro来获取device major/minor number：
unsigned int iminor(struct inode *inode);
unsigned int imajor(struct inode *inode);
b）struct cdev *i_cdev;
如果一个inode对应一个char device file，i_cdev就指向那个char device。
重要的数据结构介绍完毕，后面就是device driver和kernel交互的一些流程。
Char Device Registration
cdev用来代表一个char device，在使用它之前，需要driver自己创建并注册device。首先cdev结构体的创建，有两种方式：1， 由kerne动态帮我们分配一个，通过cdev_alloc，driver提供ops；2， 我们自己创建cdev，然后调用cdev_init让kernel帮我们初始化。现在大部分的device driver都是采用第二种方式，自己创建一个结构体，里面包含cdev，然后通过cdev_init把cdev初始化，方式很灵活。在cdev创建完成，并且ops等初始化做完以后，调用cdev_add，将cdev告诉kernel，同时告诉kernel与此关联的device number，这样就能把我们的cdev结构体，与filesystem里的device关联起来。需要注意的时，一旦调用了cdev_add，就代表device对应的功能已经ready，kernel会随时调用进来，所以必须能准备工作都做完以后，再调用cdev_add。如果需要移除设备，调用cdev_del。
Open and Release
driver里的open，是在对应的device设备文件被打开的时候，此时通常做一些初始化设备的操作。在open被调用进来的时候，首先得知道是哪个device。在open传进来的inode里，记录着i_cdev，这个就是driver之间创建并初始化过的cdev，直接container_of来获取对应的scull_dev即可。然后可以把scull_dev记录在filp->private_data里。因为后续的操作，比如read/write/ioctl都是只有filp参数，通过filp->private_data可以直接拿到scull_dev，从而拿到driver的所有东西。另外，查看哪个设备被打开，需要查看inode里的minor number，这里不再赘述。
driver里的release，简单来说就是把open获取 资源对应的释放掉。具体的：1， 释放open中分配的资源，尤其是记录在filp->private_data里的东西；2， 如果device被彻底close，就关闭设备。这里提到，dup和fork不会调用到device的open，这些都被OS处理掉了，并且自己维护了一个计数，每次dup和fork都是增加了计数而已。同样的，上层调用close的时候，OS只是减少了计数，等到计数为0，才会调用device的release。因此，driver的open和release会是一一对应的，一次open必会只对应一次的release。当user mode app退出，包括异常退出，process在被终止的时候，kernel都是针对open的file调用close，这样保证不会发生leak。
后面开始将scull的实现细节，这里不再讨论。
这里注意，read/write调用进来的时候，buffer都是user mode的，也就说这些指针都是用户态指针，kernel不能直接使用，需要通过copy_from_user/copy_to_user来转换。这两个函数中：1，会对user mode地址进行检查，如果无效，函数会返回未被copy的字节数；2， 如果对应的user page不存在，会调用page fault，所以使用这两个函数的地方要支持可重入。
