Linux设备驱动模型中的热插拔机制及实验

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本人CU博客中的文章，本来是希望CU给推荐到首页的，结果周五不知道CU博客出了啥问题，居然没什么更新。所以我干脆把再把它放到这里，因为话题涉及设备驱动模块自动加载，本版已经有同学问过这方面的问题。

热插拔(hotplug，打这个词的时候我常常想到热干面)不一定非要指类似U盘那样的插入拔出，此处的热插拔广义上讲，是指一个设备加入系统，内核如何通知用户空间。举个简单的例子，如果你的电脑中有块PCI网卡，针对该网卡的驱动程序以内核模块的形式被编译(obj-m)，那么Linux系统在启动过程中是如何自动加载该网卡的驱动模块呢？大家都知道现在udev负责干这事，其实除了udev，还可以有其他的手法，你自己就可以这样做。

我们先讨论udev，udev最关键的东西是当系统发现一个设备时，它要能够被通知该事件，一旦它知道了这件事，那么余下的事情就都好说了，无非是个如何查找模块并加载的过程。所以我们看到，这里的关键是热插拔事件的通知机制。Linux的设备模型为此提供了非常完美的支持，其原理其实发源于kset这一层，对此在《深入Linux设备驱动程序内核机制》一书中有详细的描述，虽然这部分看起来蛮复杂，貌似挺能吓唬住一些新手，其实说白了，要点就是通过sysfs建立关系，沟通内核与用户空间，然后就是uevent，也就是下面要说的热插拔事件。

当然设备驱动程序一般不会和这些太底层的kobject/kset家伙打交道，因为更高层次的device,bus和driver把kobject/kset那一层的细节实现都给封装了起来。所以设备热插拔的uevent事件最终的源头来自于device_add，本帖这里肯定不会讨论device与driver如何绑定那一摊子事情。下面看看device_add的源码，是如何实现uevent机制的：

    
    int device_add(struct device *dev)
    {
          ...
          kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);
          ...
    }

热插拔的核心实现就那一个函数调用，这里device_add对应的是KOBJ_ADD，那么移除设备自然对应KOBJ_REMOVE了。kobject_uevent函数最终调用的是kobject_uevent_env，后者才是真正干事的伙计。

下面给出kobject_uevent_env函数的核心框架：

    int kobject_uevent_env(struct kobject *kobj, enum kobject_action action,
                           char *envp_ext[])
    {
            ...
    #if defined(CONFIG_NET)
            /* send netlink message */
            ...
    #endif

            /* call uevent_helper, usually only enabled during early boot */
            if (uevent_helper[0] && !kobj_usermode_filter(kobj)) {
                    char *argv [3];

                    argv [0] = uevent_helper;
                    argv [1] = (char *)subsystem;
                    argv [2] = NULL;
                    retval = add_uevent_var(env, "HOME=/");
                    if (retval)
                            goto exit;
                    retval = add_uevent_var(env,
                                            "PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin");
                    if (retval)
                            goto exit;

                    retval = call_usermodehelper(argv[0], argv,
                                                 env->envp, UMH_WAIT_EXEC);
            }

            ...
    }

怎么样，够简洁吧，其实看实际的代码比这要郁闷地多，不过骨架清晰就行了。代码中的netlink message就不用多说了吧，给udev发通知用(有时间的话可以分析分析udev的代码)。本帖重点讨论后半段的if (uevent_helper[0] && !kobj_usermode_filter(kobj))代码，这里的核心调用是call_usermodehelper，这个函数最有意思的地方就在于在内核空间调用用户空间的程序，它的详细实现机制在书中已经讲得很多，这里就不再赘述了。call_usermodehelper在kobject_uevent_env函数中要调用的用户空间程序由uevent_helper[0]来指定，所以如果我们能控制这个uevent_helper[0]，就能接收到设备加入系统移出系统等事件。那个if中的kobj_usermode_filter条件一般都会满足(除非这是个特别注意个人隐私的设备，那就不好说了，人家偷偷加入系统就是不想让你知道你也没有办法，但是udev还是能知道的)。

下面看看uevent_helper[0]来自何处：

    
    char uevent_helper[UEVENT_HELPER_PATH_LEN] = CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH;

貌似要通过内核配置来指定，我看了一下我系统中Linux目录下的.config文件，找到了下面这行：

#
# Generic Driver Options
#
CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH=""

丫的，居然没指定，那么uevent_helper[0]=""，这样的话我们在kobject_uevent_env函数中的那个if语句就没法满足了，看来要重新配置再编译内核了。不过想想sysfs这么强大，内核开发的那帮人好歹给留个用户空间的接口出来吧，一查看还真有：

    static ssize_t uevent_helper_store(struct kobject *kobj,
                                       struct kobj_attribute *attr,
                                       const char *buf, size_t count)
    {
            if (count+1 > UEVENT_HELPER_PATH_LEN)
                    return -ENOENT;
            memcpy(uevent_helper, buf, count);
            uevent_helper[count] = '\0';
            if (count && uevent_helper[count-1] == '\n')
                    uevent_helper[count-1] = '\0';
            return count;
    }

有个uevent_helper文件不是？那么我们现在可以把我们用户空间的程序给打进去了，我打算做个最简单的脚本/sbin/myhotplug，这个脚本只干一件事，在/home/dennis目录下生成一个hotplug文件：

    #!/bin/sh
    cd /home/dennis
    touch hotplug

然后把这个脚本程序的文件名给打入到内核空间的uevent_helper[0]上：

    root@build-server:/sys/kernel# echo "/sbin/myhotplug" > uevent_helper
    root@build-server:/sys/kernel# cat uevent_helper
    /sbin/myhotplug

好了，现在检查一下你的/home/dennis目录下面有没有hotplug这个文件，有的话就删掉，否则怎么知道是新生成的呢。现在，找个U盘插到你的电脑里，然后再看一下/home/dennis目录，有个hotplug文件对吧？如果你现在删除这个文件，再把U盘给拔了，你会再次发现这个文件。这意味着什么，意味着你可以轻而易举地捕捉到设备加入/移出系统等事件，如果你的脚本足够智能，那么你就会想到很多很有创意的玩法对吧？

最后，对于PCI设备而言，Linux系统在启动过程中会扫描系统中所有PCI设备，对发现的每一个设备都会调用device_add函数，正如你前面看到的那样，udev将会被通知，它负责找到对应的驱动模块并加载。当然，如果你愿意，你也可以去捕捉这些事件。