字符设备驱动—3

 

    cdev和kobj_map：

    内核中所有的字符设备都会记录在一个 kobj_map 结构的 cdev_map 变量中。这个结构的变量中包含一个散列表用来快速存取所有的对象。kobj_map() 函数就是用来把字符设备编号和 cdev 结构变量一起保存到 cdev_map 这个散列表里。当后续要打开一个字符设备文件时，通过调用 kobj_lookup() 函数，根据设备编号就可以找到 cdev 结构变量，从而取出其中的 ops 字段。

    kobj_map函数中哈希表的实现原理和前面注册分配设备号中的几乎完全一样，通过要加入系统的设备的主设备号major（major=MAJOR(dev)）来获得probes数组的索引值i（i = major % 255），然后把一个类型为struct probe的节点对象加入到probes[i]所管理的链表中，如图2-6所示。其中struct probe所在的矩形块中的深色部分是我们重点关注的内容，记录了当前正在加入系统的字符设备对象的有关信息。其中，dev是它的设备号，range是从次设备号开始连续的设备数量，data是一void *变量，指向当前正要加入系统的设备对象指针p。如图展示了两个满足主设备号major % 255 = 2的字符设备通过调用cdev_add之后，cdev_map所展现出来的数据结构状态。


     先看kobj_map相关的代码
    涉及到的文件
           
            

typedef struct kobject *kobj_probe_t(dev_t, int *, void *);
struct kobj_map;
int kobj_map(struct kobj_map *, dev_t, unsigned long, struct module *, kobj_probe_t *, int (*)(dev_t, void *), void *);
void kobj_unmap(struct kobj_map *, dev_t, unsigned long);
struct kobject *kobj_lookup(struct kobj_map *, dev_t, int *);
struct kobj_map *kobj_map_init(kobj_probe_t *, struct mutex *);

struct kobj_map {
    struct probe {
        struct probe *next; /* 这样形成了链表结构 */
        dev_t dev; /* 设备号 */
        unsigned long range; /* 设备号的范围 */
        struct module *owner;
        kobj_probe_t *get;
        int (*lock) (dev_t, void *);
        void *data; /* 指向struct cdev对象 */
    } *probes[255];
    struct mutex *lock;
}

    结构体中有一个互斥锁lock，一个probes[255]数组，数组元素为struct probe的指针，根据下面的函数作用来看，kobj_map结构体是管理设备号及其对应的设备的，而kobj_map函数就是将制定的设备号加入到该数组，kobj_lookup则查找该结构体，然后返回对应设备号的kobject对象，利用
利用该kobject对象，我们可以得到包含它的对象如cdev。
    struct probe结构体中的get函数指针就是用来获得kobject对象的，可能不同类型的设备获取的方式不同，我现在就看过cdev的exact_match函数。
kobj_map函数:

int kobj_map(struct kobj_map *domain, dev_t dev, unsigned long range, struct module *module, kobj_probe_t *probe, int (*lock)(dev_t, void *), void *data)
{
    unsigned n = MAJOR(dev+range-1) - MAJOR(dev) + 1;
    unsigned index = MAJOR(dev);
    unsigned i;
    struct probe *p;

    if (n > 255) /* 若n > 255，则超出了kobj_map中probes数组的大小 */
        n = 255;
    p = kmalloc(sizeof(struct probe) * n, GFP_KERNEL); /* 分配n个struct probe */
    if(p == NULL)
        return -ENOMEM;
    for(i = 0; i < n; i++, p++) { /* 用函数的参数初始化probe */
        p->owner = module;
        p->get = probe;
        p->lock = lock;
        p->dev = dev;
        p->range = range;
        p->data = data;
    }
    mutex_lock(domain->lock);
    for(i = 0, p-=n; i < n; i++, p++, index++) {
        struct probe **s = &domain->probes[index % 255];
        while(*s && (*s)->range < range)
            s = &(*s)->next;
        p->next = *s;
        *s = p;
    }
    mutex_unlock(domain->lock);
    return 0;
}

     dev_t的前12位为主设备号，后20位为次设备号。n = MAJOR(dev + range - 1) - MAJOR(dev) + 1 表示设备号范围(dev, dev+range)中不同的主设备号的个数。
通常n的值为1。从代码中的第二个for循环可以看出kobj_map中的probes数组中每个元素为一个struct probe链表的头指针。每个链表中的probe对象有（MAJOR（probe.dev） % 255）值相同的关系。若主设备号小于255， 则每个链表中的probe都有相同的主设备号。链表中的元素是按照range值从小到大排列的。
while循环即是找出该将p插入的位置。
kobj_unmap函数:
   

void kobj_unmap(struct kobj_map *domain, dev_t dev, unsigned long range)
{
    unsigned n = MAJOR(dev + range - 1) - MAJOR(dev) + 1;
    unsigned index = MAJOR(dev);
    unsigned i;
    struct probe *found = NULL;

    if (n > 255)
        n = 255;

    mutex_lock(domain->lock);
    for (i = 0; i < n; i++, index++) {
        struct probe **s;
        for (s = &domain->probes[index % 255]; *s; s = &(*s)->next) {
            struct probe *p = *s;
            if (p->dev == dev && p->range == range) {
                *s = p->next;
                if (!found)
                    found = p;
                break;
            }
        }
    }
    mutex_unlock(domain->lock);
    kfree(found);
}

在16行，找到对应设备号dev和range指定的probe对象后，退出，然后kfree释放空间。
kobj_lookup函数：

struct kobject *kobj_lookup(struct kobj_map *domain, dev_t dev, int *index)
{
    struct kobject *kobj;
    struct probe *p;
    unsigned long best = ~0UL;

retry:
    mutex_lock(domain->lock);
    for (p = domain->probes[MAJOR(dev) % 255]; p; p = p->next) {
        struct kobject *(*probe)(dev_t, int *, void *);
        struct module *owner;
        void *data;

        if (p->dev > dev || p->dev + p->range - 1 < dev)
            continue;
        if (p->range - 1 >= best)
            break;
        if (!try_module_get(p->owner))
            continue;
        owner = p->owner;
        data = p->data;
        probe = p->get;
        best = p->range - 1;
        *index = dev - p->dev; /* 这个是用来干嘛的？ */
        if (p->lock && p->lock(dev, data) < 0) {
            module_put(owner);
            continue;
        }
        mutex_unlock(domain->lock);
        kobj = probe(dev, index, data);
        /* Currently ->owner protects _only_ ->probe() itself. */
        module_put(owner);
        if (kobj)
            return kobj;
        goto retry;
    }
    mutex_unlock(domain->lock);
    return NULL;
}

对cdev_add函数，这里的p->probe函数即是exact_match, p->lock为exact_lock函数。
kobj_map_init函数：

struct kobj_map *kobj_map_init(kobj_probe_t *base_probe, struct mutex *lock)
{
    struct kobj_map *p = kmalloc(sizeof(struct kobj_map), GFP_KERNEL);
    struct probe *base = kzalloc(sizeof(*base), GFP_KERNEL);
    int i;

    if ((p == NULL) || (base == NULL)) {
        kfree(p);
        kfree(base);
        return NULL;
    }

    base->dev = 1;
    base->range = ~0;
    base->get = base_probe;
    for (i = 0; i < 255; i++)
        p->probes[i] = base;
    p->lock = lock;
    return p;
}

下面是cdev部分。

文件：

cdev.h

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
}
void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);

cdev_init函数，此函数首先调用kobject_init初始化cdev中的kobj，然后将cdev中的ops赋值。
 cdev_alloc函数，先kzalloc分配一个cdev，然后用kobject_init初始化kobj
 cdev_put函数：

void cdev_put(struct cdev *p)
{
    if (p) {
        struct module *owner = p->owner;
        kobject_put(&p->kobj);
        module_put(owner);
    }
}

此函数调用kobject_put和module_put，好像它们的作用就是减少引用计数
cdev_add函数：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
    p->dev = dev;
    p->count = count;
    return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);
}

主要是调用kobj_map将cdev放入cdev_map中。
cdev_del函数：

static void cdev_unmap(dev_t dev, unsigned count)
{
    kobj_unmap(cdev_map, dev, count);
}

void cdev_del(struct cdev *p)
{
    cdev_unmap(p->dev, p->count);
    kobject_put(&p->kobj);
}

这就不用说啥了。
LDD3上说“只要cdev_add返回了，我们的设备就‘活’了，它的操作就会被内核调用"，那么这句奇妙的话到底是个什么意思？下面是我目前了解的情况，据说在open一个字符设备文件时，最终总会调用chrdev_open。下面是该函数的源码，注意inode->i_rdev中保存了设备编号，inode->icdev指向了cdev结构

static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct cdev *p;
    struct cdev *new = NULL;
    int ret = 0;

    spin_lock(&cdev_lock);
    p = inode->i_cdev;
    if (!p) {
        struct kobject *kobj;
        int idx;
        spin_unlock(&cdev_lock);
        kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx);
        if (!kobj)
            return -ENXIO;
        new = container_of(kobj, struct cdev, kobj); /* 找到字符设备的cdev */
        spin_lock(&cdev_lock);
        /* Check i_cdev again in case somebody beat us to it while
         we dropped the lock. */
        p = inode->i_cdev;
        if (!p) {
            inode->i_cdev = p = new;
            list_add(&inode->i_devices, &p->list);/* ZXG: 这是啥？ */
            new = NULL;
        } else if (!cdev_get(p))
            ret = -ENXIO;
    } else if (!cdev_get(p))
        ret = -ENXIO;
    spin_unlock(&cdev_lock);
    cdev_put(new);
    if (ret)
        return ret;

    ret = -ENXIO;
    filp->f_op = fops_get(p->ops);
    if (!filp->f_op)
        goto out_cdev_put;

    if (filp->f_op->open) {
        ret = filp->f_op->open(inode, filp); /* 调用cdev->ops中的open函数 */
        if (ret)
            goto out_cdev_put;
    }

    return 0;

 out_cdev_put:
    cdev_put(p);
    return ret;
}

     所以，简单地说，设备驱动程序通过调用cdev_add把它所管理的设备对象的指针嵌入到一个类型为struct probe的节点之中，然后再把该节点加入到cdev_map所实现的哈希链表中。

    对系统而言，当设备驱动程序成功调用了cdev_add之后，就意味着一个字符设备对象已经加入到了系统，在需要的时候，系统就可以找到它。对用户态的程序而言，cdev_add调用之后，就已经可以通过文件系统的接口呼叫到我们的驱动程序。