说明:
- Kernel版本:4.14
- ARM64处理器,Contex-A53,双核
- 使用工具:Source Insight 3.5, Visio
1. 概述
今天来聊一下Linux设备模型的基石:kset/kobject/ktype。
- sysfs文件系统提供了一种用户与内核数据结构进行交互的方式,可以通过mount -t sysfs sysfs /sys来进行挂载;
- Linux设备模型中,设备、驱动、总线组织成拓扑结构,通过sysfs文件系统以目录结构进行展示与管理;
- Linux设备模型中,总线负责设备和驱动的匹配,设备与驱动都挂在某一个总线上,当它们进行注册时由总线负责去完成匹配,进而回调驱动的probe函数;
- SoC系统中有spi, i2c, pci等实体总线用于外设的连接,而针对集成在SoC中的外设控制器,Linux内核提供一种虚拟总线platform用于这些外设控制器的连接,此外platform总线也可用于没有实体总线的外设;
- 在/sys目录下,bus用于存放各类总线,其中总线中会存放挂载在该总线上的驱动和设备,比如serial8250,devices存放了系统中的设备信息,class是针对不同的设备进行分类;
上边这些功能的实现,离不开kobject/kset/ktype机制的支撑,开始旅程吧。
2. 数据结构
2.1 kobject
- kobject代表内核对象,结构体本身不单独使用,而是嵌套在其他高层结构中,用于组织成拓扑关系;
- sysfs文件系统中一个目录对应一个kobject;
看看结构体吧:
struct kobject { const char *name; /* 名字,对应sysfs下的一个目录 */ struct list_head entry; /* kobject中插入的 list_head结构,用于构造双向链表 */ struct kobject *parent; /* 指向当前kobject父对象的指针,体现在sys中就是包含当前kobject对象的目录对象 */ struct kset *kset; /* 当前kobject对象所属的集合 */ struct kobj_type *ktype; /* 当前kobject对象的类型 */ struct kernfs_node *sd; /* VFS文件系统的目录项,是设备和文件之间的桥梁,sysfs中的符号链接是通过kernfs_node内的联合体实现的 */ struct kref kref; /* kobject的引用计数,当计数为0时,回调之前注册的release方法释放该对象 */#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE struct delayed_work release;#endif unsigned int state_initialized:1; /* 初始化标志位,初始化时被置位 */ unsigned int state_in_sysfs:1; /* kobject在sysfs中的状态,在目录中创建则为1,否则为0 */ unsigned int state_add_uevent_sent:1; /* 添加设备的uevent事件是否发送标志,添加设备时向用户空间发送uevent事件,请求新增设备 */ unsigned int state_remove_uevent_sent:1; /* 删除设备的uevent事件是否发送标志,删除设备时向用户空间发送uevent事件,请求卸载设备 */ unsigned int uevent_suppress:1; /* 是否忽略上报(不上报uevent) */};
2.2 kset
- kset是包含多个kobject的集合;
- 如果需要在sysfs的目录中包含多个子目录,那需要将它定义成一个kset;
- kset结构体中包含struct kobject字段,可以使用该字段链接到更上一层的结构,用于构建更复杂的拓扑结构;
- sysfs中的设备组织结构很大程度上根据kset组织的,/sys/bus目录就是一个kset对象,在Linux设备模型中,注册设备或驱动时就将kobject添加到对应的kset中;
struct kset { struct list_head list; /* 包含在kset内的所有kobject构成一个双向链表 */ spinlock_t list_lock; struct kobject kobj; /* 归属于该kset的所有的kobject的共有parent */ const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; /* kset的uevent操作函数集,当kset中的kobject有状态变化时,会回调这个函数集,以便kset添加新的环境变量或过滤某些uevent,如果一个kobject不属于任何kset时,是不允许发送uevent的 */} __randomize_layout;
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2.3 ktype
- kobj_type用于表征kobject的类型,指定了删除kobject时要调用的函数,kobject结构体中有struct kref字段用于对kobject进行引用计数,当计数值为0时,就会调用kobj_type中的release函数对kobject进行释放,这个就有点类似于C++中的智能指针了;
- kobj_type指定了通过sysfs显示或修改有关kobject的信息时要处理的操作,实际是调用show/store函数;
struct kobj_type { void (*release)(struct kobject *kobj); /* 释放kobject对象的接口,有点类似面向对象中的析构 */ const struct sysfs_ops *sysfs_ops; /* 操作kobject的方法集 */ struct attribute **default_attrs; const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj); const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);};struct sysfs_ops { /* kobject操作函数集 */ ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *, char *); ssize_t (*store)(struct kobject *, struct attribute *, const char *, size_t);};/* 所谓的attribute就是内核空间和用户空间进行信息交互的一种方法,例如某个driver定义了一个变量,却希望用户空间程序可以修改该变量,以控制driver的行为,那么可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来 */struct attribute { const char *name; umode_t mode;#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC bool ignore_lockdep:1; struct lock_class_key *key; struct lock_class_key skey;#endif};
可以看一下kobject创建的时候,与ktype的关系,这样理解起来更顺:
- kobject在创建的时候,默认设置kobj_type的值为dynamic_kobj_ktype,通常kobject会嵌入在其他结构中来使用,因此它的初始化跟特定的结构相关,典型的比如struct device和struct device_driver;
- 在/sys文件系统中,通过echo/cat的操作,最终会调用到show/store函数,而这两个函数的具体实现可以放置到驱动程序中;
2.4 结构关系
为了更形象的说明这几个结构体的关系,再来一张图:
- kset既是kobject的集合,本身又是一个kobject,进而可以添加到其他的集合中,从而就可以构建成复杂的拓扑结构,满足/sys文件夹下的文件组织需求;
如果只看kset/kobject的数据结构组织,可能还是会迷惑,它怎么跟Linux的设备模型相关?这时就不得不提到Linux内核中一个很精妙的存在container_of,它可以通过成员变量的地址来获取所在结构的地址信息。前文提到过kobject/kset结构本身不会单独使用,通常都是会嵌套在其他结构中,既然kobjcet/kset能组织成拓扑结构,那么包含它们的结构同样可以构建这个关系,因为可以通过container_of就可以找到结构体的首地址。
- 结构体A、B、C、D、E同样可以构建拓扑结构关系;
- struct device和struct device_driver结构体中都包含了struct kobject,而struct bus_type结构体中包含了struct kset结构,这个也就对应到前文提到的设备和驱动都添加到总线上,由总线来负责匹配;
3. 流程分析
kobject/kset的相关代码比较简单,毕竟它只是作为一个结构体嵌入其他high-level的结构中,充当纽带的作用。不过,我还是简单的上一张图吧:
- 完成的工作基本就是分配结构体,初始化各个结构体字段,构建拓扑关系(主要是添加到kset的list中,parent的指向等)等,看懂了结构体的组织,这部分的代码理解起来就很轻松了;
4. 示例
先上一个原理图:
4.1 代码
#include <linux/kernel.h>#include <linux/module.h>#include <linux/slab.h>#include <linux/kobject.h>//自定义一个结构,包含了struct kobject子结构struct test_kobj { int value; struct kobject kobj;};//自定义个属性结构体,包含了struct attribute结构struct test_kobj_attribute { struct attribute attr; ssize_t (*show)(struct test_kobj *obj, struct test_kobj_attribute *attr, char *buf); ssize_t (*store)(struct test_kobj *obj, struct test_kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count);};//声明一个全局结构用于测试struct test_kobj *obj;//用于初始化sysfs_ops中的函数指针static ssize_t test_kobj_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf){ struct test_kobj_attribute *test_kobj_attr; ssize_t ret = -EIO; test_kobj_attr = container_of(attr, struct test_kobj_attribute, attr); //回调到具体的实现函数 if (test_kobj_attr->show) ret = test_kobj_attr->show(container_of(kobj, struct test_kobj, kobj), test_kobj_attr, buf); return ret;}//用于初始化sysfs_ops中的函数指针static ssize_t test_kobj_attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buf, size_t count){ struct test_kobj_attribute *test_kobj_attr; ssize_t ret = -EIO; test_kobj_attr = container_of(attr, struct test_kobj_attribute, attr); //回调到具体的实现函数 if (test_kobj_attr->store) ret = test_kobj_attr->store(container_of(kobj, struct test_kobj, kobj), test_kobj_attr, buf, count); return ret;}//用于初始化kobj_ktypeconst struct sysfs_ops test_kobj_sysfs_ops = { .show = test_kobj_attr_show, .store = test_kobj_attr_store,};//用于初始化kobj_ktype,最终用于释放kobjectvoid obj_release(struct kobject *kobj){ struct test_kobj *obj = container_of(kobj, struct test_kobj, kobj); printk(KERN_INFO "test kobject release %s\n", kobject_name(&obj->kobj)); kfree(obj);}//定义kobj_ktype,用于指定kobject的类型,初始化的时候使用static struct kobj_type test_kobj_ktype = { .release = obj_release, .sysfs_ops = &test_kobj_sysfs_ops,};//show函数的具体实现ssize_t name_show(struct test_kobj *obj, struct test_kobj_attribute *attr, char *buffer){ return sprintf(buffer, "%s\n", kobject_name(&obj->kobj));}//show函数的具体实现ssize_t value_show(struct test_kobj *obj, struct test_kobj_attribute *attr, char *buffer){ return sprintf(buffer, "%d\n", obj->value);}//store函数的具体实现ssize_t value_store(struct test_kobj *obj, struct test_kobj_attribute *attr, const char *buffer, size_t size){ sscanf(buffer, "%d", &obj->value); return size;}//定义属性,最终注册进sysfs系统struct test_kobj_attribute name_attribute = __ATTR(name, 0664, name_show, NULL);struct test_kobj_attribute value_attribute = __ATTR(value, 0664, value_show, value_store);struct attribute *test_kobj_attrs[] = { &name_attribute.attr, &value_attribute.attr, NULL,};//定义组struct attribute_group test_kobj_group = { .name = "test_kobj_group", .attrs = test_kobj_attrs,};//模块初始化函数static int __init test_kobj_init(void){ int retval; printk(KERN_INFO "test_kobj_init\n"); obj = kmalloc(sizeof(struct test_kobj), GFP_KERNEL); if (!obj) { return -ENOMEM; } obj->value = 1; memset(&obj->kobj, 0, sizeof(struct kobject)); //添加进sysfs系统 kobject_init_and_add(&obj->kobj, &test_kobj_ktype, NULL, "test_kobj"); //在sys文件夹下创建文件 retval = sysfs_create_files(&obj->kobj, (const struct attribute **)test_kobj_attrs); if (retval) { kobject_put(&obj->kobj); return retval; } //在sys文件夹下创建group retval = sysfs_create_group(&obj->kobj, &test_kobj_group); if (retval) { kobject_put(&obj->kobj); return retval; } return 0;}//模块清理函数static void __exit test_kobj_exit(void){ printk(KERN_INFO "test_kobj_exit\n"); kobject_del(&obj->kobj); kobject_put(&obj->kobj); return;}module_init(test_kobj_init);module_exit(test_kobj_exit);MODULE_AUTHOR("LoyenWang");MODULE_LICENSE("GPL");
4.2 Makefile
ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m:=test_kobject.oelseKERDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD:=$(shell pwd)all: make -C $(KERDIR) M=$(PWD) modulesclean: rm -f *.ko *.o *.symvers *.cmd *.cmd.o modules.* *.mod.cendif
- Makefile没有太多好说的,注意Tab的使用,否则容易出错;
4.3 测试结果
- 在/sys目录下创建了test_kobj文件夹,在该文件夹下除了name和value外,还有一个test_kobj_group的子文件夹;
- 可以通过cat/echo的操作,来操作name和value,分别会调用到底层的xxx_show和xxx_store函数;
- 对着代码看这个图,一目了然;
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