1. 概述

今天來聊一下Linux設備模型的基石：kset/kobject/ktype。

• sysfs文件系統提供了一種用戶與內核數據結構進行交互的方式，可以通過mount -t sysfs sysfs /sys來進行掛載；

• Linux設備模型中，設備、驅動、總線組織成拓撲結構，通過sysfs文件系統以目錄結構進行展示與管理；

• Linux設備模型中，總線負責設備和驅動的匹配，設備與驅動都掛在某一個總線上，當它們進行注冊時由總線負責去完成匹配，進而回調驅動的probe函數；

• SoC系統中有spi, i2c, pci等實體總線用于外設的連接，而針對集成在SoC中的外設控制器，Linux內核提供一種虛擬總線platform用于這些外設控制器的連接，此外platform總線也可用于沒有實體總線的外設；

• 在/sys目錄下，bus用于存放各類總線，其中總線中會存放掛載在該總線上的驅動和設備，比如serial8250，devices存放了系統中的設備信息，class是針對不同的設備進行分類；

上邊這些功能的實現，離不開kobject/kset/ktype機制的支撐，開始旅程吧。

2. 數據結構

2.1 kobject

• kobject代表內核對象，結構體本身不單獨使用，而是嵌套在其他高層結構中，用于組織成拓撲關系；

• sysfs文件系統中一個目錄對應一個kobject；

看看結構體吧：

struct?kobject?{const?char??*name;??????????????????/*?名字，對應sysfs下的一個目錄?*/struct?list_head?entry;???????????????/*?kobject中插入的?list_head結構，用于構造雙向鏈表?*/struct?kobject??*parent;????????????/*?指向當前kobject父對象的指針，體現在sys中就是包含當前kobject對象的目錄對象?*/struct?kset??*kset;????????????????????/*?當前kobject對象所屬的集合?*/struct?kobj_type?*ktype;????????????/*?當前kobject對象的類型?*/struct?kernfs_node?*sd;??????????????/*?VFS文件系統的目錄項，是設備和文件之間的橋梁，sysfs中的符號鏈接是通過kernfs_node內的聯合體實現的?*/struct?kref??kref;?????????????????????/*?kobject的引用計數，當計數為0時，回調之前注冊的release方法釋放該對象?*/ #ifdef?CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASEstruct?delayed_work?release; #endifunsigned?int?state_initialized:1;????????????????/*?初始化標志位，初始化時被置位?*/unsigned?int?state_in_sysfs:1;??????????????????/*?kobject在sysfs中的狀態，在目錄中創建則為1，否則為0?*/unsigned?int?state_add_uevent_sent:1;??????/*?添加設備的uevent事件是否發送標志，添加設備時向用戶空間發送uevent事件，請求新增設備?*/unsigned?int?state_remove_uevent_sent:1;??/*?刪除設備的uevent事件是否發送標志，刪除設備時向用戶空間發送uevent事件，請求卸載設備?*/unsigned?int?uevent_suppress:1;??????????????/*?是否忽略上報（不上報uevent）?*/ };

2.2 kset

• kset是包含多個kobject的集合；

• 如果需要在sysfs的目錄中包含多個子目錄，那需要將它定義成一個kset；

• kset結構體中包含struct kobject字段，可以使用該字段鏈接到更上一層的結構，用于構建更復雜的拓撲結構；

• sysfs中的設備組織結構很大程度上根據kset組織的，/sys/bus目錄就是一個kset對象，在Linux設備模型中，注冊設備或驅動時就將kobject添加到對應的kset中；

struct?kset?{struct?list_head?list;????????/*?包含在kset內的所有kobject構成一個雙向鏈表?*/spinlock_t?list_lock;struct?kobject?kobj;???????/*?歸屬于該kset的所有的kobject的共有parent?*/const?struct?kset_uevent_ops?*uevent_ops;????/*?kset的uevent操作函數集，當kset中的kobject有狀態變化時，會回調這個函數集，以便kset添加新的環境變量或過濾某些uevent，如果一個kobject不屬于任何kset時，是不允許發送uevent的?*/ }?__randomize_layout;

2.3 ktype

• kobj_type用于表征kobject的類型，指定了刪除kobject時要調用的函數，kobject結構體中有struct kref字段用于對kobject進行引用計數，當計數值為0時，就會調用kobj_type中的release函數對kobject進行釋放，這個就有點類似于C++中的智能指針了；

• kobj_type指定了通過sysfs顯示或修改有關kobject的信息時要處理的操作，實際是調用show/store函數；

struct?kobj_type?{void?(*release)(struct?kobject?*kobj);?????/*?釋放kobject對象的接口，有點類似面向對象中的析構?*/const?struct?sysfs_ops?*sysfs_ops;????????/*?操作kobject的方法集?*/struct?attribute?**default_attrs;const?struct?kobj_ns_type_operations?*(*child_ns_type)(struct?kobject?*kobj);const?void?*(*namespace)(struct?kobject?*kobj); };struct?sysfs_ops?{??????/*?kobject操作函數集?*/ssize_t?(*show)(struct?kobject?*,?struct?attribute?*,?char?*);ssize_t?(*store)(struct?kobject?*,?struct?attribute?*,?const?char?*,?size_t); };/*?所謂的attribute就是內核空間和用戶空間進行信息交互的一種方法，例如某個driver定義了一個變量，卻希望用戶空間程序可以修改該變量，以控制driver的行為，那么可以將該變量以sysfs?attribute的形式開放出來?*/ 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 };

可以看一下kobject創建的時候，與ktype的關系，這樣理解起來更順：

• kobject在創建的時候，默認設置kobj_type的值為dynamic_kobj_ktype，通常kobject會嵌入在其他結構中來使用，因此它的初始化跟特定的結構相關，典型的比如struct device和struct device_driver；

• 在/sys文件系統中，通過echo/cat的操作，最終會調用到show/store函數，而這兩個函數的具體實現可以放置到驅動程序中；

2.4 結構關系

為了更形象的說明這幾個結構體的關系，再來一張圖：

• kset既是kobject的集合，本身又是一個kobject，進而可以添加到其他的集合中，從而就可以構建成復雜的拓撲結構，滿足/sys文件夾下的文件組織需求；

如果只看kset/kobject的數據結構組織，可能還是會迷惑，它怎么跟Linux的設備模型相關？這時就不得不提到Linux內核中一個很精妙的存在container_of，它可以通過成員變量的地址來獲取所在結構的地址信息。前文提到過kobject/kset結構本身不會單獨使用，通常都是會嵌套在其他結構中，既然kobjcet/kset能組織成拓撲結構，那么包含它們的結構同樣可以構建這個關系，因為可以通過container_of就可以找到結構體的首地址。

• 結構體A、B、C、D、E同樣可以構建拓撲結構關系；

• struct device和struct device_driver結構體中都包含了struct kobject，而struct bus_type結構體中包含了struct kset結構，這個也就對應到前文提到的設備和驅動都添加到總線上，由總線來負責匹配；

3. 流程分析

kobject/kset的相關代碼比較簡單，畢竟它只是作為一個結構體嵌入其他high-level的結構中，充當紐帶的作用。不過，我還是簡單的上一張圖吧：

• 完成的工作基本就是分配結構體，初始化各個結構體字段，構建拓撲關系（主要是添加到kset的list中，parent的指向等）等，看懂了結構體的組織，這部分的代碼理解起來就很輕松了；

4. 示例

先上一個原理圖：

4.1 代碼

#include?<linux/kernel.h> #include?<linux/module.h> #include?<linux/slab.h> #include?<linux/kobject.h>//自定義一個結構，包含了struct?kobject子結構 struct?test_kobj?{int?value;struct?kobject?kobj; };//自定義個屬性結構體，包含了struct?attribute結構 struct?test_kobj_attribute?{struct?attribute?attr;ssize_t?(*show)(struct?test_kobj?*obj,?struct?test_kobj_attribute?*attr,?char?*buf);ssize_t?(*store)(struct?test_kobj?*obj,?struct?test_kobj_attribute?*attr,?const?char?*buf,?size_t?count); };//聲明一個全局結構用于測試 struct?test_kobj?*obj;//用于初始化sysfs_ops中的函數指針 static?ssize_t?test_kobj_attr_show(struct?kobject?*kobj,?struct?attribute?*attr,?char?*buf) {struct?test_kobj_attribute?*test_kobj_attr;ssize_t?ret?=?-EIO;test_kobj_attr?=?container_of(attr,?struct?test_kobj_attribute,?attr);//回調到具體的實現函數if?(test_kobj_attr->show)ret?=?test_kobj_attr->show(container_of(kobj,?struct?test_kobj,?kobj),?test_kobj_attr,?buf);return?ret; }//用于初始化sysfs_ops中的函數指針 static?ssize_t?test_kobj_attr_store(struct?kobject?*kobj,?struct?attribute?*attr,?const?char?*buf,?size_t?count) {struct?test_kobj_attribute?*test_kobj_attr;ssize_t?ret?=?-EIO;test_kobj_attr?=?container_of(attr,?struct?test_kobj_attribute,?attr);//回調到具體的實現函數if?(test_kobj_attr->store)ret?=?test_kobj_attr->store(container_of(kobj,?struct?test_kobj,?kobj),?test_kobj_attr,?buf,?count);return?ret; }//用于初始化kobj_ktype const?struct?sysfs_ops?test_kobj_sysfs_ops?=?{.show?=?test_kobj_attr_show,.store?=?test_kobj_attr_store, };//用于初始化kobj_ktype，最終用于釋放kobject void?obj_release(struct?kobject?*kobj) {struct?test_kobj?*obj?=?container_of(kobj,?struct?test_kobj,?kobj);printk(KERN_INFO?"test?kobject?release?%s\n",?kobject_name(&obj->kobj));kfree(obj); }//定義kobj_ktype，用于指定kobject的類型，初始化的時候使用 static?struct?kobj_type?test_kobj_ktype?=?{.release?=?obj_release,.sysfs_ops?=?&test_kobj_sysfs_ops, };//show函數的具體實現 ssize_t?name_show(struct?test_kobj?*obj,?struct?test_kobj_attribute?*attr,?char?*buffer) {return?sprintf(buffer,?"%s\n",?kobject_name(&obj->kobj)); }//show函數的具體實現 ssize_t?value_show(struct?test_kobj?*obj,?struct?test_kobj_attribute?*attr,?char?*buffer) {return?sprintf(buffer,?"%d\n",?obj->value); }//store函數的具體實現 ssize_t?value_store(struct?test_kobj?*obj,?struct?test_kobj_attribute?*attr,?const?char?*buffer,?size_t?size) {sscanf(buffer,?"%d",?&obj->value);return?size; }//定義屬性，最終注冊進sysfs系統 struct?test_kobj_attribute?name_attribute?=?__ATTR(name,?0664,?name_show,?NULL); struct?test_kobj_attribute?value_attribute?=?__ATTR(value,?0664,?value_show,?value_store); struct?attribute?*test_kobj_attrs[]?=?{&name_attribute.attr,&value_attribute.attr,NULL, };//定義組 struct?attribute_group?test_kobj_group?=?{.name?=?"test_kobj_group",.attrs?=?test_kobj_attrs, };//模塊初始化函數 static?int?__init?test_kobj_init(void) {int?retval;printk(KERN_INFO?"test_kobj_init\n");obj?=?kmalloc(sizeof(struct?test_kobj),?GFP_KERNEL);if?(!obj)?{return?-ENOMEM;}obj->value?=?1;memset(&obj->kobj,?0,?sizeof(struct?kobject));//添加進sysfs系統kobject_init_and_add(&obj->kobj,?&test_kobj_ktype,?NULL,?"test_kobj");//在sys文件夾下創建文件retval?=?sysfs_create_files(&obj->kobj,?(const?struct?attribute?**)test_kobj_attrs);if?(retval)?{kobject_put(&obj->kobj);return?retval;}//在sys文件夾下創建groupretval?=?sysfs_create_group(&obj->kobj,?&test_kobj_group);if?(retval)?{kobject_put(&obj->kobj);return?retval;}return?0; }//模塊清理函數 static?void?__exit?test_kobj_exit(void) {printk(KERN_INFO?"test_kobj_exit\n");kobject_del(&obj->kobj);kobject_put(&obj->kobj);return; }module_init(test_kobj_init); module_exit(test_kobj_exit);MODULE_AUTHOR("LoyenWang"); MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 Makefile

ifneq??($(KERNELRELEASE),) obj-m:=test_kobject.o else KERDIR?:=?/lib/modules/$(shell?uname?-r)/build PWD:=$(shell?pwd) all:make?-C?$(KERDIR)?M=$(PWD)?modules clean:rm?-f?*.ko?*.o?*.symvers?*.cmd?*.cmd.o?modules.*?*.mod.c endif

• Makefile沒有太多好說的，注意Tab的使用，否則容易出錯；

4.3 測試結果

• 在/sys目錄下創建了test_kobj文件夾，在該文件夾下除了name和value外，還有一個test_kobj_group的子文件夾；

• 可以通過cat/echo的操作，來操作name和value，分別會調用到底層的xxx_show和xxx_store函數；

• 對著代碼看這個圖，一目了然；

草草收場，洗洗睡了。

如果覺得對你有幫助，那就點個在看吧。

參考

https://lwn.net/Articles/263200/

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux设备模型之kset/kobj/ktype分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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