linux设备模型数据结构分析

数据结构

2.1 kobject

• kobject代表内核对象，结构体本身不单独使用，而是嵌套在其他高层结构中，用于组织成拓扑关系；
• sysfs文件系统中一个目录对应一个kobject；

看看结构体吧：

struct kobject {
	const char		*name;                  /* 名字，对应sysfs下的一个目录 */
	struct list_head	entry;               /* kobject中插入的 list_head结构，用于构造双向链表 */
	struct kobject		*parent;            /* 指向当前kobject父对象的指针，体现在sys中就是包含当前kobject对象的目录对象 */
	struct kset		*kset;                    /* 当前kobject对象所属的集合 */
	struct kobj_type	*ktype;            /* 当前kobject对象的类型 */
	struct kernfs_node	*sd;              /* VFS文件系统的目录项，是设备和文件之间的桥梁，sysfs中的符号链接是通过kernfs_node内的联合体实现的 */
	struct kref		kref;                     /* kobject的引用计数，当计数为0时，回调之前注册的release方法释放该对象 */
#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
	struct delayed_work	release;
#endif
	unsigned int state_initialized:1;                /* 初始化标志位，初始化时被置位 */
	unsigned int state_in_sysfs:1;                  /* kobject在sysfs中的状态，在目录中创建则为1，否则为0 */
	unsigned int state_add_uevent_sent:1;      /* 添加设备的uevent事件是否发送标志，添加设备时向用户空间发送uevent事件，请求新增设备 */
	unsigned int state_remove_uevent_sent:1;  /* 删除设备的uevent事件是否发送标志，删除设备时向用户空间发送uevent事件，请求卸载设备 */
	unsigned int uevent_suppress:1;              /* 是否忽略上报（不上报uevent） */
};

2.2 kset

• kset是包含多个kobject的集合；
• 如果需要在sysfs的目录中包含多个子目录，那需要将它定义成一个kset；
• kset结构体中包含struct kobject字段，可以使用该字段链接到更上一层的结构，用于构建更复杂的拓扑结构；
• sysfs中的设备组织结构很大程度上根据kset组织的，/sys/bus目录就是一个kset对象，在Linux设备模型中，注册设备或驱动时就将kobject添加到对应的kset中；

struct kset {
	struct list_head list;        /* 包含在kset内的所有kobject构成一个双向链表 */
	spinlock_t list_lock;
	struct kobject kobj;       /* 归属于该kset的所有的kobject的共有parent */
	const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;    /* kset的uevent操作函数集，当kset中的kobject有状态变化时，会回调这个函数集，以便kset添加新的环境变量或过滤某些uevent，如果一个kobject不属于任何kset时，是不允许发送uevent的 */
} __randomize_layout;

2.3 ktype

• kobj_type用于表征kobject的类型，指定了删除kobject时要调用的函数，kobject结构体中有struct kref字段用于对kobject进行引用计数，当计数值为0时，就会调用kobj_type中的release函数对kobject进行释放，这个就有点类似于C++中的智能指针了；
• kobj_type指定了通过sysfs显示或修改有关kobject的信息时要处理的操作，实际是调用show/store函数；

struct kobj_type {
	void (*release)(struct kobject *kobj);     /* 释放kobject对象的接口，有点类似面向对象中的析构 */
	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操作函数集 */
	ssize_t	(*show)(struct kobject *, struct attribute *, char *);
	ssize_t	(*store)(struct kobject *, struct attribute *, const char *, size_t);
};


/* 所谓的attribute就是内核空间和用户空间进行信息交互的一种方法，例如某个driver定义了一个变量，却希望用户空间程序可以修改该变量，以控制driver的行为，那么可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来 */
struct attribute {
	const char		*name;
	umode_t			mode;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	bool			ignore_lockdep:1;
	struct lock_class_key	*key;
	struct lock_class_key	skey;
#endif
};

可以看一下kobject创建的时候，与ktype的关系，这样理解起来更顺：

• kobject在创建的时候，默认设置kobj_type的值为dynamic_kobj_ktype，通常kobject会嵌入在其他结构中来使用，因此它的初始化跟特定的结构相关，典型的比如struct device和struct device_driver；
• 在/sys文件系统中，通过echo/cat的操作，最终会调用到show/store函数，而这两个函数的具体实现可以放置到驱动程序中；

2.4 结构关系

为了更形象的说明这几个结构体的关系，再来一张图：

• kset既是kobject的集合，本身又是一个kobject，进而可以添加到其他的集合中，从而就可以构建成复杂的拓扑结构，满足/sys文件夹下的文件组织需求；

如果只看kset/kobject的数据结构组织，可能还是会迷惑，它怎么跟Linux的设备模型相关？这时就不得不提到Linux内核中一个很精妙的存在container_of，它可以通过成员变量的地址来获取所在结构的地址信息。前文提到过kobject/kset结构本身不会单独使用，通常都是会嵌套在其他结构中，既然kobjcet/kset能组织成拓扑结构，那么包含它们的结构同样可以构建这个关系，因为可以通过container_of就可以找到结构体的首地址。

• 结构体A、B、C、D、E同样可以构建拓扑结构关系；
• struct device和struct device_driver结构体中都包含了struct kobject，而struct bus_type结构体中包含了struct kset结构，这个也就对应到前文提到的设备和驱动都添加到总线上，由总线来负责匹配；