Linux设备模型与sysfs文件系统

Linux设备模型与sysfs文件系统

1 前言

学习设备模型是因为我学习usb驱动而引起的。在看《linux设备驱动》的第13章usb驱动程序，发现有点进行不下去，必须先看明白设备模型才行。于是跳到第14章linux设备模型。第14章，我看了两周，断断续续的看，总也理解不透彻。期间在网上看到一篇《linux设备模型深探》博客文章，有所启发。而后翻看了《linux内核设计与实现》第17章，才更加明白。今天一看《深入理解linux内核》第13章讲解设备模型部分，感觉理解更加透彻。

说的linux的设备模型，就不得不说sysfs文件系统，这是一个处于内存中虚拟文件系统，为设备模型提供类似文件系统的视图，也就是说sysfs只是设备模型的一种表象。但是要注意区分设备模型和sysfs两个概念。

根据经验，学习设备模型与sysfs的顺序应该是：

《linux内核设计与实现》第17章；

《深入理解linux内核》第13章；

《linux设备驱动》的第14章。

 

1 kobject kset subsystem

1.1 kobject

         设备模型的核心数据是kobject数据结构。《linux内核设计与实现》中如下表述：kobject类似于C#或Java这些面向对象语言中的object对象类，提供了诸如引用计数、名称和父指针等字段，可以创建对象的层次结构。因此，设备模型中的任一对象都包含一个kobject对象，或者说kobject总是被嵌入到一个叫做“容器”的更大对象中去。容器的典型例子就是某种设备的抽象。例如字符设备驱动中会涉及到cdev数据结构，cdev用于描述一个字符设备，而cdev中就定义了（嵌入了）一个kobject对象。当然再后面会看到容器还可以是总线、驱动等等。任何逻辑概念都可以作为容器，包括后面介绍的kset数据结构。

         下面介绍一下kobject的数据结构内容（摘自linux2.6.21内核源码，下同）：

struct kobject {

         const char                  * k_name;

         char                    name[KOBJ_NAME_LEN];

         struct kref                  kref;

         struct list_head        entry;

         struct kobject           * parent;

         struct kset                 * kset;

         struct kobj_type       * ktype;

         struct dentry             * dentry;

         wait_queue_head_t         poll;

};

         kref是容器的引用计数器；entry是为了kobject的链表操作（不明白的参考ldd3的第11章的链表部分）；parent就很明了了，它指向一个父kobject对象，用于构造设备模型中的层次关系；kset用于构造更复杂的层次关系，后面会介绍；dentry指向了与kobject对于的sysfs文件系统中的dentry数据结构，也正是利用dentry才得以形成sysfs虚拟文件系统。关于dentry需要学习linux的VFS；poll目前没找到什么解释。

         最后重点介绍ktype数据结构。从kboject结构可以看出，它利用parent字段可以构成父子层次关系；但是设备模型除了描述容器的层次关系，还要描述容器的特性，而ktype数据结构就是为此定义的。ktype数据结构如下。

struct kobj_type {

         void (*release)(struct kobject *);

         struct sysfs_ops       * sysfs_ops;

         struct attribute        ** default_attrs;

};

         release函数指针指向在kobject引用计数减至零时要被调用的析构函数。该函数负责释放所有的kobject使用的内存和其他相关清理工作。析构函数的概念是从《linux内核设计与实现》中看来的，因为我C++和C#都还学的不错，所有对这个概念很敏感，觉得总结的非常好。

         default_attribute和sysfs_ops是配合使用的。default_attribute指向一个包含attribute结构数组。attribute结构如下。

struct attribute {

         const char                  * name;

         struct module                   * owner;

         mode_t                       mode;

};

         name是属性的名字；owner指向模块指针；mode是属性的保护位，设置读写权限等。

         attribute可以说明容器具有哪些属性，而sysfs_ops中的函数指针所指向的函数就是来操作（读/写）这些的属性的。sysfs_ops数据结构定义如下。

struct sysfs_ops {

         ssize_t     (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);

         ssize_t     (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);

};

         从数据结构中可以看到，定义了show和stroe分别来读写容器的属性。

         综上所述，kobject作为基类对象，总是被嵌入一个叫做“容器”的更大的对象中去；它使用kref完成引用计数；利用parent可以实现父子层次关系；利用ktype描述容器的属性。但是，kset用来做什么呢？因为parent所实现的父子层次关系是有缺陷的，所以需要kset。

 

1.2 kset

1.2.1 kset与kobject

         在讨论kset之前，先来看看kobject的parent字段所构成的父子层次关系为什么有缺陷。注意parent实现的父子层次关系是单向的，因此一个kobject仅仅知道其父kobject，却不知道其子kobject。并且，一个kobject有且只有一个父kobject，但是可能会有多个子kobject。

         如果让我来解决这个问题，我就在kobject中定义一个kobjcet集合，该集合用双向链表来把所有的子kobject链接起来。这样，每一个容器中嵌入一个kobject，每一个kobject通过kobject集合可以访问所有的子kobject；通过parent可以访问父kobject。我最新设计的VT100菜单库就是使用这种结构的。我的每个菜单项都包含一个kobject，包括顶层菜单项同样是包含一个kobject；kobject中的kobject集合中就是子菜单项，所有子菜单项中的kobject的父kobject都指向父菜单中的kobject；直至最后一级子菜单中，其kobjcet集合为空。

         带着上述思路，我原本理解出来的kobject和kset构成的层次结构是这样的。

         注意，kobject和kset中都有list_head，用于形成双向链表。

         但是，在读三本参考文献时，我发现我的上述理解是错误的。linux的设备模型不是我想的这样子的。首先看一下kset的数据结构定义。

struct kset {

         struct subsystem     * subsys;

         struct kobj_type       * ktype;

         struct list_head        list;

         spinlock_t                  list_lock;

         struct kobject           kobj;

         struct kset_uevent_ops  * uevent_ops;

};

         kset中包含list_head，说明其可以用于构成双向链表；它还嵌入了一个kobject，表明了kset其实是一个嵌入了kobject对象的容器。理解这一点很关键，回想kobject的表述，kobject总是被嵌入到一个更大的称为“容器”的对象中去，当时举了cdev的例子，而现在kset也是一个例子。但是kset比较特别，它内部不但嵌入了一个kobject，还包含了kobject的集合。如何实现这个kobject集合呢，是使用kset中的list_head和其所包含的kobject中的list_head形成双向链表。

         kset和kobject的关系，在ldd3的第14章有一个经典的图。

         图中，灰色部分表示kset数据结构，作为一个容器，其内部嵌入了一个koject对象。而底端三个kobject是嵌入到其他容器中的，这些kobject的parent就是kset中的kobject，从黑色虚线能看出来；而灰色虚线则表示底端kobject中的kset指针指向灰色的kset。黑色实线表明kset中的list_head以及底端kobject中的kobject的list_head构成了双向链表。

         上图虽然经典，但是只能描述kset和kobjects间的单层关系。在我看这幅图时，我总是会有这样的疑问：底端的kobjects的容器会不会也是一个kset呢？会不会出现多个kset层次呢？从编程角度来说，是完全可以这样的；但是答案是否定的，因为linux不是这么用的。在设备模型树中，任一路径中，有且只能有一个“单一kset”。这个结论是我自己得出来的，后面会解释我为什么得出这个结论。

         综上所述，kset和kobject的关系就很明了了。kset是嵌入了kobject的一个特殊容器，它利用list_head实现了子kobject的集合。

1.2.2 kset与ktype

         kset做为一个kobject的容器，本来是要使用kobject中的ktype的；但是kset也定义了一个ktype。ldd3给出了明确的解释：kset中的ktype也用来描述其包含的kobject，优于kobject中的ktype使用。在典型应用中，kobject中的ktype设为null。

1.2.3 kset与subsystem

         kset中包含一个subsystem指针；在linux中，每一个kset都必须属于一个子系统。

1.3 subsystem

         subsystem的数据结构很简单。

struct subsystem {

         struct kset                 kset;

         struct rw_semaphore      rwsem;

};

         subsystem结构中明显嵌入了一个kset结构；因此可以将subsystem看做是kset的容器。但是因为kset中嵌入了一个kobject，所以可以说subsystem中也是一个kobject的容器。

         subsystem的作用是归纳kset集合。在subsystem的底层，会出现如下两种情况：第一，其底层是多个subsystem；第二种，其底层就是kset。无论是那种情况，以kset的能力都是能有效组织起来的。

         linux中的设备模型的顶层是从subsystem子系统开始的。在sys目录底下能看到，其底下包括block_subsys(/sys/block)、devices_subsys（/sys/devices）等子系统。但是子系统subsytem不一定出现在顶层，也有可能出现在子系统中。在上面已经提到过，kset必须属于一个子系统；在像内核中添加一个kset结构时，如果没有指定子系统，那么这个kset将会出现在顶层。因此，在上面我得出过结论：在设备模型树中，任一路径中“单一kset”只会出现一次。请参考《深入理解linux内核》中的一幅图（图13-3），就能基本能理解设备模型了。

1.4 关于设备模型的若干结论

         kobject总是被嵌入到一个称为“容器”的更大的对象中；单独存在的kobject是没意义的；

         kset是一个嵌入了kobject的特殊容器，它内部包含一个子kobjects的集合；kset的上层必须是subsystem，kset的下层必然是kobject；在设备模型树中，任一路径中“单一kset”只会出现一次。

         subsystem是kset的集合，它的底层可以是kset也可以是subsystem；

 

2 sysfs文件系统

         sysfs的诀窍是把kobject对象与目录项（dentry）紧密联系起来，这点事通过kobject对象中的dentry实现的。对于sysfs中的每个目录，都会有一个kobject与其对应。

         在sysfs中我们看到的是目录树，它是对象模型树导出而形成的文件系统。

         sysfs下目前有7个子系统目录。

block	每个目录对应着系统中的一个块设备，独立于所连接的总线
devices	所有设备拓扑结构视图，依照连接它们的总线进行组织
bus	系统中用于连接设备的总线
drivers	在内核中注册的设备驱动程序
class	以高层逻辑组织起来的系统设备视图，如声卡、显卡、网卡等；同一类可能包含由不同总线连接的设备。
power	处理一些硬件设备电源的文件
firmware	包含硬件设备的固件，诸如ACPI/EDD/EFI等低层子系统的特殊树

         对于上述子系统，ldd3重点讲解了bus、devices、drivers三个子系统。上面说了这么多都是虚的，看看这三个子系统在sysfs中具体实现才能够更加明确设备模型的结构。

         在linux设备模型中，用bus_type结构表示总线。在sysfs中可以看到，bus_type定义的总线子系统并不在sys顶层，而是位于sys/bus子系统中，如pci、usb等总线子系统。bus_type中包含了一个subsystem，两个kset。这两个kset的父kset都是该subsystem中的kset。看/sys/bus/pci下能找到devices和drives这两个kset。这两个kset就是单一kset。

 

写在最后：下一步学习《总线、设备与驱动程序》的具体细节；然后就是热插拔的细节。

 

参考文献

《linux内核设计与实现》第17章；

《深入理解linux内核》第13章；

《linux设备驱动》的第14章。