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Linux设备模型剖析系列一（基本概念、kobject、kset、kobj_type）

Linux设备模型剖析系列之二（uevent、sysfs）

Linux设备模型剖析系列之三（device和device driver）

Linux设备模型剖析系列之四（BUS）

Linux设备模型剖析系列之五（class）

Linux设备模型系列文章之六（设备资源管理）

Linux设备模型剖析系列文章之七（kobj、kset）

三、uevent

1. uevent的功能

• uevent是kobject的一部分，用于在kobject状态发生改变时(增加、移除等)，通知用户空间程序。用户空间程序收到这样的事件后，会做相应的处理。该机制通常是用来支持热拔插设备的，例如U盘插入后，USB相关的驱动软件会动态创建用于表示该U盘的device结构（相应的也包括其中的kobject），并告知用户空间程序，为该U盘动态的创建/dev/目录下的设备节点，更进一步，可以通知其它的应用程序，将该U盘设备mount到系统中，从而动态的支持该设备。

2. uevent在kernel中的位置

下面图片描述了uevent模块在内核中的位置：

由此可知，uevent的机制是比较简单的，设备模型中任何设备有事件需要上报时，会触发uevent提供的接口。uevent模块准备好上报事件的格式后，可以通过两个途径把事件上报到用户空间：一种是通过kmod模块，直接调用用户空间的可执行文件；另一种是通过netlink通信机制，将事件从内核空间传递给用户空间。有关kmod和netlink，会在其它文章中描述，因此本文就不再详细说明了。

3. uevent的内部逻辑解析

3.1 源代码的位置

uevent的代码比较简单，主要涉及kobject.h和kobject_uevent.c两个文件，如下：

• include/linux/kobject.h
• lib/kobject_uevent.c

3.2 数据结构描述

kobject.h定义了uevent相关的常量和数据结构，如下：

• kobject_action

/* include/linux/kobject.h, line 50 */
enum kobject_action {KOBJ_ADD,KOBJ_REMOVE,    KOBJ_CHANGE, KOBJ_MOVE,KOBJ_ONLINE, KOBJ_OFFLINE,KOBJ_MAX 
};

• kobject_action定义了event的类型，包括：

ADD/REMOVE： kobject（或上层数据结构）的添加/移除事件。

ONLINE/OFFLINE：kobject（或上层数据结构）的上线/下线事件，即是否使能。

CHANGE： kobject（或上层数据结构）的状态或者内容发生改变。如果设备驱动需要上报的事件不再上面事件的范围内，或者是自定义的事件，可以使用该event，并携带相应的参数。

MOVE： kobject（或上层数据结构）更改名称或者更改parent（意味着在sysfs中更改了目录结构）。

MAX： 事件种类的最大值

• kobj_uevent_env

  /* include/linux/kobject.h, line 31 */
  #define UEVENT_NUM_ENVP         32 /* number of env pointers */
  #define UEVENT_BUFFER_SIZE      2048 /* buffer for the variables *//* include/linux/kobject.h, line 116 */
  struct kobj_uevent_env {char *envp[UEVENT_NUM_ENVP];int envp_idx;char buf[UEVENT_BUFFER_SIZE];int buflen;
  };
  

  envp，指针数组，用于保存每个环境变量的地址，最多可支持的环境变量数量为UEVENT_NUM_ENVP。

  envp_idx，用于访问环境变量指针数组的index。

  buf，保存环境变量的buffer，最大为UEVENT_BUFFER_SIZE。

  buflen，访问buf的变量。

  • 前面有提到过，在利用kmod向用户空间上报event事件时，会直接执行用户空间的可执行文件。而在Linux系统，可执行文件的执行，依赖于环境变量，因此kobj_uevent_env用于组织此次事件上报时的环境变量。

• kset_uevent_ops

  /* include/linux/kobject.h, line 123 */
  struct kset_uevent_ops {int (* const filter)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);const char *(* const name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);int (* const uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, struct kobj_uevent_env *env);
  };
  

  • kset_uevent_ops是为kset量身订做的一个数据结构，里面包含filter和uevent两个回调函数，用处如下：

    • filter：当任何kobject需要上报uevent时，它所属的kset可以通过该接口过滤，阻止（过滤掉）不希望上报的event，从而达到从整体上管理的目的。

    • uevent：当任何kobject需要上报uevent时，它所属的kset可以通过该接口统一为这些event添加环境变量。因为很多时候上报uevent时的环境变量都是相同的，因此可以由kset统一处理，就不需要让每个kobject独自添加了。

    • name：该接口可以返回kset的名称。如果一个kset没有合法的名称，则其下的所有kobject将不允许上报uevent。

3.3 内部接口

• 通过kobject.h，uevent模块提供了如下的API（这些API的实现是在lib/kobject\_uevent.c文件中）：

  /* include/linux/kobject.h, line 206 */
  int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action);
  int kobject_uevent_env(struct kobject *kobj, enum kobject_action action, char *envp[]);
  int add_uevent_var(struct kobj_uevent_env *env, const char *format, ...);
  int kobject_action_type(const char *buf, size_t count, enum kobject_action *type);
  

3.3.1 kobject_uevent_env

• kobject_uevent_env函数以envp为环境变量，上报一个指定action的uevent。环境变量的作用是为执行用户空间程序指定运行环境。具体动作如下：

  1. 查找kobj本身或者其parent是否从属于某个kset，如果不是，则报错返回（如果一个kobject没有加入kset，是不允许上报uevent的）；
  2. 查看kobj->uevent_suppress是否设置，如果设置，则忽略所有的uevent上报并返回（可以通过kobject的uevent_suppress标志，管控kobject的uevent的上报）；
  3. 如果所属的kset有uevent_ops->filter函数，则调用该函数，过滤此次上报（kset可以通过filter接口过滤不希望上报的event，从而达到整体的管理效果）；
  4. 判断所属的kset是否有合法的名称（称作subsystem，和前期的内核版本有区别），否则不允许上报uevent；
  5. 分配一个用于此次上报的、存储环境变量的buffer（结果保存在env指针中），并获得该kobject在sysfs中的路径信息（用户空间软件需要依据该路径信息在sysfs中访问它）；
  6. 调用add_uevent_var接口（下面会介绍），将action、路径信息、subsystem等信息，添加到env指针中；
  7. 如果传入的envp不空，则解析传入的环境变量，同样调用add_uevent_var接口，添加到env指针中；
  8. 如果所属的kset存在uevent_ops->uevent接口，调用该接口，添加kset统一的环境变量到env指针；
  9. 根据ACTION的类型，设置kobj->state_add_uevent_sent和kobj->state_remove_uevent_sent变量，以记录正确的状态；
  10. 调用add_uevent_var接口，添加格式为"SEQNUM=%llu”的序列号；
  11. 如果定义了"CONFIG_NET”，则使用netlink发送该uevent；
  12. 以uevent_helper、subsystem以及添加了标准环境变量（HOME=/，PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin）的env指针为参数，调用kmod模块提供的call_usermodehelper函数，上报uevent。
      1. uevent_helper的内容是由内核配置项CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH(位于./drivers/base/Kconfig)决定的(可参考lib/kobject_uevent.c, line 32)，该配置项指定了一个用户空间程序（或者脚本），用于解析上报的uevent，例如"/sbin/hotplug”。
      2. call_usermodehelper的作用，就是fork一个进程，以uevent为参数，执行uevent_helper。

3.3.2 kobject_uevent

• kobject_uevent，和kobject_uevent_env功能一样，只是没有指定任何的环境变量。

  int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action)
  {return kobject_uevent_env(kobj, action, NULL);
  }
  

3.3.3 add_uevent_var

• add_uevent_var以格式化字符的形式（类似printf、printk等），将环境变量copy到env指针中。

3.3.4 kobject_action_type

• kobject_action_type将enum kobject_action类型的action转换为字符串。

• 注意：怎么指定处理uevent的用户空间程序(简称uevent helper)？

  • 上面介绍kobject_uevent_env的内部动作时，有提到，uevent模块通过Kmod上报uevent时，会通过call_usermodehelper函数，调用用户空间的可执行文件（或者脚本，简称*uevent helper* ）处理该event。而该uevent helper的路径保存在**uevent_helper数组中。

  • 可以在编译内核时，通过CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH配置项，静态指定uevent helper。但这种方式会为每个event fork一个进程，随着内核支持的设备数量的增多，这种方式在系统启动时将会是致命的（可以导致内存溢出等）。因此只有在早期的内核版本中会使用这种方式，现在内核不再推荐使用该方式。因此内核编译时，需要把该配置项留空。

  • 在系统启动后，大部分的设备已经ready，可以根据需要，重新指定一个uevent helper，以便检测系统运行过程中的热拔插事件。这可以通过把helper的路径写入到/sys/kernel/uevent_helper文件中实现。实际上，内核通过sysfs文件系统的形式，将uevent_helper数组开放到用户空间，供用户空间程序修改访问，具体可参考./kernel/ksysfs.c中相应的代码，这里不再详细描述。

四、sysfs

1. 前言

sysfs是一个基于RAM的文件系统，它和kobject一起，可以将kernel的数据结构导出到用户空间，以文件目录结构的形式，提供对这些数据结构（以及数据结构的属性）的访问支持。sysfs是一种表示内核对象、对象属性，以及对象关系的一种机制，一般内核对象、属性、以及对象关系组织成树状形式。其中内核对象被映射为用户态的目录；对象属性被映射为用户态的文件，文件在目录下；对象关系被映射成用户空间的符号链接。

sysfs具备文件系统的所有属性，而本文主要侧重其设备模型的特性,因此不会涉及过多的文件系统实现细节，而只介绍sysfs在Linux设备模型中的作用和使用方法。具体包括：

• sysfs和kobject的关系
• attribute的概念
• sysfs的文件系统操作接口

2. sysfs和kobject的关系

在前面有提到过，每一个kobject，都会对应sysfs中的一个目录。因此在将kobject添加到kernel时，create_dir函数会调用sysfs文件系统的创建目录接口，创建和kobject对应的目录，相关的代码如下：

/* lib/kobject.c, line 47 */
static int create_dir(struct kobject *kobj)
{int error = 0;if (kobject_name(kobj)) {error = sysfs_create_dir(kobj);if (!error) {error = populate_dir(kobj);if (error)sysfs_remove_dir(kobj);}}return error;
}

• 这个函数接受唯一的一个参数，也就是要为其创建目录的kobject的地址。它完成如下操作：
  1. 检查传递进来kobject对象的name的有效性，若无效，则返回0。
  2. 若有效，则调用sysfs_create_dir(kobj)来在sysfs中创建目录。

/* fs/sysfs/dir.c, line 736 */
/**  sysfs_create_dir - create a directory for an object.*/
int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
{enum kobj_ns_type type;struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;const void *ns = NULL;int error = 0;BUG_ON(!kobj);if (kobj->parent)parent_sd = kobj->parent->sd;elseparent_sd = &sysfs_root;error = create_dir(kobj, parent_sd, kobject_name(kobj), &sd);if (!error)kobj->sd = sd;return error;
}

• 这个函数首先会找到要为其创建目录的kobject的sysfs_dirent对象的父sysfs_dirent，通常是由父kobject的sd字段所指向。若父kobject为NULL，则设为sysfs根目录的sysfs_dirent。
• 然后调用create_dir(kobj, parent_sd, kobject_name(kobj) , &sd)来创建目录。
• 最后，若成功，设置kobject的sd字段指向为其新创建的sysfs_dirent，并返回0。若失败则返回错误码。

3. attribute

3.1 attribute的功能概述

在sysfs中，为什么会有attribute的概念呢？其实它是对应kobject而言的，指的是kobject的属性。我们知道，sysfs中的目录描述了kobject，而kobject是特定数据类型变量（如struct device）的体现。因此kobject的属性，就是这些变量的属性。它可以是任何东西，名称、一个内部变量、一个字符串等等。而attribute，在sysfs文件系统中是以文件的形式提供的，即：kobject的所有属性，都在它对应的sysfs目录下以文件的形式呈现。这些文件一般是可读写的，而kernel中定义了这些属性的模块，会根据用户空间的读写操作，记录和返回这些attribute的值。

总结一下：所谓的attibute，就是内核空间和用户空间进行信息交互的一种方法。例如某个驱动定义了一个变量，却希望用户空间程序可以修改该变量，以控制driver的运行行为，那么就可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来。

Linux内核中，attribute分为普通的attribute和二进制attribute，如下：

/* include/linux/sysfs.h, line 26 */
struct attribute
{const char *name;umode_t         mode;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOCbool ignore_lockdep:1;struct lock_class_key   *key;struct lock_class_key   skey;
#endif
};/* include/linux/sysfs.h, line 100 */
struct bin_attribute {struct attribute    attr;size_t	size;void 	*private;ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *, char *, loff_t, size_t);ssize_t (*write)(struct file *,struct kobject *, struct bin_attribute *, char *, loff_t, size_t);int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *attr, struct vm_area_struct *vma);
};

struct attribute为普通的attribute，使用该attribute生成的sysfs文件，只能用字符串的形式读写（后面会说为什么）。而struct bin_attribute在struct attribute的基础上，增加了read、write等函数，因此它所生成的sysfs文件可以用任何方式读写。

说完基本概念，我们要问两个问题：

kernel怎么把attribute变成sysfs中的文件呢？

用户空间对sysfs的文件进行的读写操作，怎么传递给kernel呢？

下面来看看这个过程。

3.2 attibute文件的创建

在linux内核中，attibute文件的创建是由fs/sysfs/file.c中sysfs_create_file接口完成的，该接口的实现没有什么特殊之处，大多是文件系统相关的操作，和设备模型没有太多的关系，这里先略过不提。

3.3 attibute文件的read和write

看到3.1章节struct attribute的原型时，也许我们会犯嘀咕，该结构很简单啊，name表示文件名称，mode表示文件模式，其它的字段都是内核用于debug kernel Lock的，那文件操作的接口在哪里呢？

不着急，我们去fs/sysfs目录下看看sysfs相关的代码逻辑。

所有的文件系统，都会定义一个struct file_operations变量，用于描述本文件系统的操作接口，sysfs也不例外：

/* fs/sysfs/file.c, line 472 */
const struct file_operations sysfs_file_operations = {.read       = sysfs_read_file,.write      = sysfs_write_file,.llseek     = generic_file_llseek,.open       = sysfs_open_file,.poll       = sysfs_poll,
};

attribute文件的read操作，会由VFS转到sysfs_file_operations的read（也就是sysfs_read_file）接口上，让我们大概看一下该接口的处理逻辑。

/* fs/sysfs/file.c, line 127 */
static ssize_t sysfs_read_file(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{struct sysfs_buffer *buffer = file->private_data;ssize_t retval = 0;mutex_lock(&buffer->mutex);if (buffer->needs_read_fill || *ppos == 0) {retval = fill_read_buffer(file->f_path.dentry, buffer);if (retval)goto out;}...
}/* fs/sysfs/file.c, line 67 */
static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)
{           struct sysfs_dirent *attr_sd = dentry->d_fsdata;struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;const struct sysfs_ops * ops = buffer->ops;...        count = ops->show(kobj, attr_sd->s_attr.attr, buffer->page);...
}

read处理看着很简单，sysfs_read_file从file指针中取一个私有指针，转换为一个struct sysfs_buffer类型的指针，以此为参数（buffer），转身就调用fill_read_buffer接口。而fill_read_buffer接口，直接从buffer指针中取出一个struct sysfs_ops指针，调用该指针的show函数，即完成了文件的read操作。

那么后续呢？当然是由ops->show接口接着处理咯。而具体怎么处理，就是其它模块（例如某个driver）的事了，sysfs不再关心（其实，Linux大多的核心代码，都是只提供架构和机制，具体的实现，也就是苦力，留给那些码农吧！这就是设计的魅力）。

不过还没完，这个struct sysfs_ops指针哪来的？好吧，我们再看看open(sysfs_open_file)接口吧。

 /* fs/sysfs/file.c, line 326 */static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file){struct sysfs_dirent *attr_sd = file->f_path.dentry->d_fsdata;struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;struct sysfs_buffer *buffer;const struct sysfs_ops *ops;int error = -EACCES;/* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */if (!sysfs_get_active(attr_sd))return -ENODEV;/* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)ops = kobj->ktype->sysfs_ops;else {WARN(1, KERN_ERR "missing sysfs attribute operations for kobject: %s\n", kobject_name(kobj));goto err_out;}...buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);if (!buffer)goto err_out;mutex_init(&buffer->mutex);buffer->needs_read_fill = 1;buffer->ops = ops;file->private_data = buffer;...
}

原来和ktype有关系。这个指针是从该attribute所从属的kobject中拿的。再去看一下ktype的定义，里面有一个struct sysfs_ops的指针。

注意：通过注释“every kobject with an attribute needs a ktype assigned”以及其后代码逻辑可知，如果从属的kobject（就是attribute文件所在的目录）没有ktype，或者没有ktype->sysfs_ops指针，是不允许它注册任何attribute的！

经过确认后，sysfs_open_file从ktype中取出struct sysfs_ops指针，并在随后的代码逻辑中，分配一个struct sysfs_buffer类型的指针（buffer），并把struct sysfs_ops指针保存在其中，随后把buffer指针交给file的private_data，随后read/write等接口便可以取出使用。这是内核中的常用方法！

顺便看一下struct sysfs_ops吧，我想你已经能够猜到了。

/* include/linux/sysfs.h, line 124 */
struct sysfs_ops {ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);const void *(*namespace)(struct kobject *, const struct attribute *);
};

attribute文件的write过程和read类似，这里就不再多说。另外，上面只分析了普通attribute的逻辑，而二进制类型的呢？也类似，去看看fs/sysfs/bin.c吧，这里也不说了。

讲到这里，应该已经结束了，事实却不是如此。上面read/write的数据流，只到kobject（也就是目录）级别哦，而真正需要操作的是attribute（文件）啊！这中间一定还有一层转换！确实，不过又交给其它模块了。 下面我们通过一个例子，来说明如何转换的。

4. sysfs在设备模型中的应用总结

让我们通过设备模型class.c中有关sysfs的实现，来总结一下sysfs的应用方式。

首先，在class.c中，定义了class所需的ktype以及sysfs_ops类型的变量，如下：

/* drivers/base/class.c, line 86 */
static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = {.show      = class_attr_show,.store     = class_attr_store,.namespace = class_attr_namespace,
};  static struct kobj_type class_ktype = {.sysfs_ops  = &class_sysfs_ops,.release    = class_release,.child_ns_type  = class_child_ns_type,
};

由前面章节的描述可知，所有class_type的kobject下面的attribute文件的读写操作，都会交给class_attr_show和class_attr_store两个接口处理。以class_attr_show为例：

/* drivers/base/class.c, line 24 */
#define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
{   struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);struct subsys_private *cp = to_subsys_private(kobj);ssize_t ret = -EIO;if (class_attr->show)ret = class_attr->show(cp->class, class_attr, buf);return ret;
}

该接口使用container_of从struct attribute类型的指针中取得一个class模块的自定义指针：struct class_attribute，该指针中包含了class模块自身的show和store接口。下面是struct class_attribute的声明：

/* include/linux/device.h, line 399 */
struct class_attribute {struct attribute attr;ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,char *buf);ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr, const char *buf, size_t count);const void *(*namespace)(struct class *class, const struct class_attribute *attr); 
};

因此，所有需要使用attribute的模块，都不会直接定义struct attribute变量，而是通过一个自定义的数据结构，该数据结构的一个成员是struct attribute类型的变量，并提供show和store回调函数。然后在该模块ktype所对应的struct sysfs_ops变量中，实现该本模块整体的show和store函数，并在被调用时，转接到自定义数据结构（struct class_attribute）中的show和store函数中。这样，每个atrribute文件，实际上对应到一个自定义数据结构变量中了。

• 【参考资料】
  • 蜗窝科技