Linux的设备模型

（本文节选于电子工业出版社推出的《Linux那些事儿》一书）

这里让我们聚焦！

顾名思义，设备模型是关于设备的模型，对咱们写驱动的和不写驱动的人来说，设备的概念就是总线和与其相连的各种设备了。电脑城的IT工作者都会知道设备是通过总线连到计算机上的，而且还需要对应的驱动才能用，可是总线是如何发现设备的？设备又是如何和驱动对应起来的？它们经过怎样的艰辛才找到命里注定的那个它？它们的关系如何？白头偕老型的还是朝三暮四型的？这些问题就不是他们关心的了，而是咱们需要关心的。我们惊喜地发现，这些疑问的中心思想中心词汇就是总线、设备和驱动，没错，它们都是咱们这里要聊的Linux设备模型的“名角”。

总线、设备、驱动，也就是bus、device、driver，既然是“名角”，在内核中都会有它们自己专属的结构，在include/linux/device.h中定义：

struct bus_type {
const char              * name;
struct module           * owner;

struct kset             subsys;
struct kset             drivers;
struct kset             devices;
struct klist            klist_devices;
struct klist            klist_drivers;

struct blocking_notifier_head bus_notifier;

struct bus_attribute    * bus_attrs;
struct device_attribute * dev_attrs;
struct driver_attribute * drv_attrs;
struct bus_attribute drivers_autoprobe_attr;
struct bus_attribute drivers_probe_attr;

int (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);
int (*uevent)(struct device *dev, char **envp,
int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
int             (*probe)(struct device * dev);
int             (*remove)(struct device * dev);
void            (*shutdown)(struct device * dev);

int (*suspend)(struct device * dev, pm_message_t state);
int (*suspend_late)(struct device * dev, pm_message_t state);
int (*resume_early)(struct device * dev);
int (*resume)(struct device * dev);

unsigned int drivers_autoprobe:1;
};

struct device_driver {
const char              * name;
struct bus_type         * bus;

struct kobject          kobj;
struct klist            klist_devices;
struct klist_node       knode_bus;

struct module           * owner;
const char              * mod_name;  /* used for built-in modules */
struct module_kobject   * mkobj;

int     (*probe)        (struct device * dev);
int     (*remove)       (struct device * dev);
void    (*shutdown)     (struct device * dev);
int     (*suspend)      (struct device * dev, pm_message_t state);
int     (*resume)       (struct device * dev);
};

struct device {
struct klist            klist_children;
struct klist_node       knode_parent;    /* node in sibling list */
struct klist_node       knode_driver;
struct klist_node       knode_bus;
struct device           *parent;

struct kobject kobj;
char    bus_id[BUS_ID_SIZE];    /* position on parent bus */
struct device_type      *type;
unsigned                is_registered:1;
unsigned                uevent_suppress:1;
struct device_attribute uevent_attr;
struct device_attribute *devt_attr;

struct semaphore        sem; /* semaphore to synchronize calls to
* its driver.
*/

struct bus_type * bus;          /* type of bus device is on */
struct device_driver *driver;   /* which driver has allocated this
device */
void            *driver_data;   /* data private to the driver */
void            *platform_data; /* Platform specific data, device
core doesn't touch it */
struct dev_pm_info      power;

#ifdef CONFIG_NUMA
int             numa_node;   /* NUMA node this device is close to */
#endif
u64             *dma_mask;      /* dma mask (if dma'able device) */
u64             coherent_dma_mask;/* Like dma_mask, but for
alloc_coherent mappings as
not all hardware supports
64 bit addresses for consistent
allocations such descriptors. */

struct list_head        dma_pools;     /* dma pools (if dma'ble) */

struct dma_coherent_mem *dma_mem; /* internal for coherent mem
override */
/* arch specific additions */
struct dev_archdata     archdata;

spinlock_t              devres_lock;
struct list_head        devres_head;

/* class_device migration path */
struct list_head        node;
struct class            *class;
dev_t                   devt;    /* dev_t, creates the sysfs "dev" */
struct attribute_group  **groups;       /* optional groups */

void    (*release)(struct device * dev);
};

有没有发现它们的共性是什么？对，它们很长，很复杂。不过不妨把它们看成艺术品，既然是艺术品，当然不会让你那么容易就看懂了。

让我们平心静气地看一下上面代码的结构，我们会发现，struct bus_type中有成员struct kset drivers 和struct kset devices，同时struct device中有两个成员struct bus_type * bus和struct device_driver *driver，struct device_driver中有两个成员struct bus_type * bus和struct klist klist_devices。先不说什么是klist、kset，光从成员的名字看，它们就是一个完美的三角关系。我们每个人心中是不是都有两个她？一个梦中的她，一个现实中的她。

我们可以知道struct device中的bus表示这个设备连到哪个总线上，driver表示这个设备的驱动是什么。struct device_driver中的bus表示这个驱动属于哪个总线，klist_devices表示这个驱动都支持哪些设备，因为这里device是复数，又是list，更因为一个驱动可以支持多个设备，而一个设备只能绑定一个驱动。当然，struct bus_type中的drivers和devices分别表示了这个总线拥有哪些设备和哪些驱动。

我们还需要看一看什么是klist和kset。还有上面device和driver结构中出现的kobject结构是什么？我可以肯定地告诉你，kobject和kset都是Linux设备模型中最基本的元素，总线、设备、驱动是西瓜，kobjcet、klist是种瓜的人，没有幕后种瓜人的汗水不会有清爽解渴的西瓜。我们不能光知道西瓜是多么的甜，还要知道种瓜人的辛苦。kobject和kset不会在意自己的得失，它们存在的意义在于把总线、设备和驱动这样的对象连接到设备模型上。种瓜的人也不会在意自己的汗水，在意的只是能不能种出甜蜜的西瓜。

一般来说应该这么理解，整个Linux的设备模型是一个OO的体系结构，总线、设备和驱动都是其中鲜活存在的对象，kobject是它们的基类，所实现的只是一些公共的接口，kset是同种类型kobject对象的集合，也可以说是对象的容器。只是因为C语言里不可能会有C++语言里类的class继承、组合等的概念，只有通过kobject嵌入到对象结构中来实现。这样，内核使用kobject将各个对象连接起来组成了一个分层的结构体系。kobject结构中包含了parent成员，指向了另一个kobject结构，也就是这个分层结构的上一层结点。而kset是通过链表来实现的，这样就可以明白，struct bus_type结构中的成员drivers和devices表示了一条总线拥有两条链表，一条是设备链表，一条是驱动链表。我们知道了总线对应的数据结构，就可以找到这条总线关联了多少设备，又有哪些驱动来支持这类设备。

那么klist呢？其实它就包含了一个链表和一个自旋锁，我们暂且把它看成链表也无妨。本来在2.6.11内核中，struct device_driver结构的devices成员就是一个链表类型。

那么总线、设备和驱动之间是如何和谐共处的呢？先说一说总线中的那两条链表是怎么形成的。内核要求每次出现一个设备就要向总线汇报，或者说注册，每次出现一个驱动，也要向总线汇报，或者说注册。比如系统初始化时，会扫描连接了哪些设备，并为每一个设备建立起一个struct device的变量，每一次有一个驱动程序，就要准备一个struct device_driver结构的变量。把这些变量统统加入相应的链表，device插入devices 链表，driver插入drivers链表。这样通过总线就能找到每一个设备，每一个驱动。然而，假如计算机里只有设备却没有对应的驱动，那么设备无法工作。反过来，倘若只有驱动却没有设备，驱动也起不了任何作用。在它们遇见彼此之前，双方都如同路埂里的野草，一个飘啊飘，一个摇啊摇，谁也不知道未来在哪里，只能在生命的风里飘摇。于是总线上的两张表里就慢慢地就挂上了许多孤单的灵魂。devices开始多了，drivers开始多了，它们像是来自两个不同的世界，devices们彼此取暖，drivers们一起狂欢，但它们有一点是相同的，都只是在等待属于自己的另一半。

现在，总线上的两条链表已经有了，剩下的那个呢？链表里的设备和驱动又是如何联系的？先有设备还是先有驱动？很久很久以前，先有的是设备，每一个要用的设备在计算机启动之前就已经插好了，插放在它应该在的位置上，然后计算机启动，操作系统开始初始化，总线开始扫描设备，每找到一个设备，就为其申请一个struct device结构，并且挂入总线中的devices链表中来。然后每一个驱动程序开始初始化，开始注册其struct device_driver结构，然后去总线的devices链表中去寻找（遍历），去寻找每一个还没有绑定驱动的设备，即struct device中的struct device_driver指针仍为空的设备，然后它会去观察这种设备的特征，看是否是它所支持的设备，如果是，那么调用一个叫做device_bind_driver的函数，然后它们就结为了“秦晋之好”。换句话说，把struct device中的struct device_driver driver指向这个驱动，而struct device_driver driver把struct device加入它的那张struct klist klist_devices链表中来。就这样，bus、device和driver，这三者之间或者说他们中的两两之间，就给联系上了。知道其中之一，就能找到另外两个。一荣俱荣，一损俱损。

但现在情况变了，出现了一种新的名词，叫热插拔。此时设备可以在计算机启动以后再插入或者拔出计算机了。因此，很难再说是先有设备还是先有驱动了，因为都有可能。设备可以在任何时刻出现，而驱动也可以在任何时刻被加载，所以，现在的情况就是，每当一个struct device诞生，它就会去bus的drivers链表中寻找自己的另一半。反之，每当一个一个struct device_driver诞生，它就去bus的devices链表中寻找它的那些设备。如果找到了合适的，那么和之前那种情况一样，调用device_bind_driver绑定好。如果找不到，没有关系，就等待吧。