【原创】linux设备模型之kset/kobj/ktype分析
背 景
Read the fucking source code!--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.--By 高尔基
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;
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_ktype
const 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kobject
void 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 ($(KERNELRELEASE),)
obj-m:=test_kobject.o
else
KERDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD:=$(shell pwd)
all:
make -C $(KERDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.symvers *.cmd *.cmd.o modules.* *.mod.c
endif
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；
草草收场，洗洗睡了。
参考
https://lwn.net/Articles/263200/
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