Linux内核大讲堂 (一) 设备驱动的基石驱动模型(1)

可能把驱动模型放在第一章讲会会有点难度，但是只要能跨过这道坎，后面就会轻松很多，驱动模型是整个linux设备驱动的基石。大部分人把驱动模型叫做设备模型，但是我查了linux的帮助文档，就是在下载源码路径下的Documentation目录中找到driver-model这个目录，里面包含的文件就是我在本章中所要讲述的东西，也就是我所说的驱动模型。因此本文都会用驱动模型这个术语（如果各位觉得这种叫法是错误的，请在评论中指出，并给出理由，本人非常诚恳的接受各位善意的批评与指正）。驱动模型的核心结构就是我们通常所说的bus、device、device_driver。即总线、设备、设备驱动。首先分析linux内核要有层次的概念，linux从设计上来说是一层套一层的，那么在这一层之下，还有一层由kobject、kobj_type、kset这三者组成，也可以认为其属于驱动模型的范围内，我们可以看到内核对它的描述是：generic kernel object infrastructure。就是通用内核对象基础的意思。我们暂且叫它内核对象层吧。在驱动模型的上层我们可以封装各种子模块子系统，这个以后再做讲解。
我们首先来看看内核对象层是什么东西，都有些什么功能。在这个分析的过程中请多一点耐心，在这中间需要的仅仅是耐心而已。
首先给出内核对象层各成员的原型：
struct kobject {
const char *name;
struct list_head entry;
struct kobject *parent;
struct kset *kset;
struct kobj_type *ktype;
struct sysfs_dirent *sd;
struct kref kref;
unsigned int state_initialized:1;
unsigned int state_in_sysfs:1;
unsigned int state_add_uevent_sent:1;
unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
unsigned int uevent_suppress:1;
};

struct kset {
struct list_head list;
spinlock_t list_lock;
struct kobject kobj;
struct kset_uevent_ops *uevent_ops;
};

struct kobj_type {
void (*release)(struct kobject *kobj);
struct sysfs_ops *sysfs_ops;
struct attribute **default_attrs;
};
首先从各结构体的成员我们发现这没有三角恋的关系，kobject中包含有kobj_type和kset及自身，kset中包含有kobject，而kobj_type则不包含上面两者，只要是在道上混的兄弟，一眼就可以看出kobject在这场恋爱关系中是占据绝对地位的。
针对这三者，linux内核提供了一些操作这些成员的方法。（位于kobject.c）。
我们挑几个名角讲一讲：
void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype)
{
char *err_str;

if (!kobj) {
err_str = "invalid kobject pointer!";
goto error;
}
if (!ktype) {
err_str = "must have a ktype to be initialized properly!/n";
goto error;
}
if (kobj->state_initialized) {
/* do not error out as sometimes we can recover */
printk(KERN_ERR "kobject (%p): tried to init an initialized "
"object, something is seriously wrong./n", kobj);
dump_stack();
}

kobject_init_internal(kobj);
kobj->ktype = ktype;
return;

error:
printk(KERN_ERR "kobject (%p): %s/n", kobj, err_str);
dump_stack();
}

我们避重就轻的看一下（前面初始化和合法条件判断在实际的运行当中是很重要的，但是对我们分析来说只要能抓主线，分析我们感兴趣的内容就可以了），可以把这个函数简化：
void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype)
{
char *err_str;
kobject_init_internal(kobj);
kobj->ktype = ktype;
return;
}
OK，我们看见传入了两个参数，一个是kobject的指针，一个是kobj_type的指针，在调用完kobject_init_internal(kobj)之后，就将传入的ktype赋值给了kobject的ktype成员。我们先来看看ktype到底是何方神胜。在分析ktype之前，我们先要往上跑一层，这一层我们选择int device_register(struct device *dev)这个函数，先给出函数原型：
int device_register(struct device *dev)
{
device_initialize(dev);
return device_add(dev);
}
void device_initialize(struct device *dev)
{
dev->kobj.kset = devices_kset;
kobject_init(&dev->kobj, &device_ktype);
INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools);
init_MUTEX(&dev->sem);
spin_lock_init(&dev->devres_lock);
INIT_LIST_HEAD(&dev->devres_head);
device_init_wakeup(dev, 0);
device_pm_init(dev);
set_dev_node(dev, -1);
}
我们找到我们感兴趣的kobject_init(&dev->kobj, &device_ktype);
我们查看device_ktype的定义：
static struct kobj_type device_ktype = {
.release = device_release,
.sysfs_ops = &dev_sysfs_ops,
};
很明显release的作用就是release，至于怎么release我们先不看，下面一个就是sysfs_ops。这个sysfs与用户空间通信的一个接口，我们点击进去查看一下：
static struct sysfs_ops dev_sysfs_ops = {
.show = dev_attr_show,
.store = dev_attr_store,
};分别对应了我们读和写sysfs下面节点的两个动作。至于里面干嘛的我们先不管。从上面我们知道，ktype包含了一个sysfs的读写接口，另外包含了一个具有release功能的函数。
回到我们之前的内容：简化版的kobject_init函数：
void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype)
{
char *err_str;
kobject_init_internal(kobj);
kobj->ktype = ktype;
return;
}
剩下的就是kobject_init_internal(kobj)了。
static void kobject_init_internal(struct kobject *kobj)
{
if (!kobj)
return;
kref_init(&kobj->kref);
INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry);
kobj->state_in_sysfs = 0;
kobj->state_add_uevent_sent = 0;
kobj->state_remove_uevent_sent = 0;
kobj->state_initialized = 1;
}
这个函数的功能纯粹就是初始化。
从这个初始经我们了解一些更新的东西：
kref_init(&kobj->kref);
这个叫引用计数，kref_init的作用就是将kobjct->kref设为1。
接下来就是初始化kobject->entry这条链表（linux内核的链表是非常重要且比较精妙的，网上相关的好文章也很多，请同志们自行查阅学习）。
接下来就是一堆的位域。
kobj->state_in_sysfs这个成员正如其名：指明是否使用了sysfs。初始化为0，显然是说：哥现在还没用。
kobj->state_add_uevent_sent、kobj->state_remove_uevent_sent 这两个成员的名命也是非常直观的：指明是否有加载或删除事件。这个是和热插拔相关的，当我们增加一个设备或者删除一个设备的时候，会在合适的时候将此位域置为1。
kobj->state_initialized指明kobject是否有被初始化，这们是唯一个置1的。显然自身被初始化了。
在分析之前有必要说明一下，为了让我们的分析更加简练，我们只会在合适的时候分析结构体的相关成员，不会在没有用到的情况下将成员的作用全都描述出来。
int device_add(struct device *dev)
{
struct device *parent = NULL;
struct class_interface *class_intf;
int error = -EINVAL;

dev = get_device(dev);
if (!dev)
goto done;

if (!dev->p) {
error = device_private_init(dev);
if (error)
goto done;
}

/*
* for statically allocated devices, which should all be converted
* some day, we need to initialize the name. We prevent reading back
* the name, and force the use of dev_name()
*/
if (dev->init_name) {
dev_set_name(dev, "%s", dev->init_name);
dev->init_name = NULL;
}

if (!dev_name(dev))
goto name_error;

pr_debug("device: '%s': %s/n", dev_name(dev), __func__);

parent = get_device(dev->parent);
setup_parent(dev, parent);

/* use parent numa_node */
if (parent)
set_dev_node(dev, dev_to_node(parent));

/* first, register with generic layer. */
/* we require the name to be set before, and pass NULL */
error = kobject_add(&dev->kobj, dev->kobj.parent, NULL);
if (error)
goto Error;

/* notify platform of device entry */
if (platform_notify)
platform_notify(dev);

error = device_create_file(dev, &uevent_attr);
if (error)
goto attrError;

if (MAJOR(dev->devt)) {
error = device_create_file(dev, &devt_attr);
if (error)
goto ueventattrError;

error = device_create_sys_dev_entry(dev);
if (error)
goto devtattrError;

devtmpfs_create_node(dev);
}

error = device_add_class_symlinks(dev);
if (error)
goto SymlinkError;
error = device_add_attrs(dev);
if (error)
goto AttrsError;
error = bus_add_device(dev);
if (error)
goto BusError;
error = dpm_sysfs_add(dev);
if (error)
goto DPMError;
device_pm_add(dev);

/* Notify clients of device addition. This call must come
* after dpm_sysf_add() and before kobject_uevent().
*/
if (dev->bus)
blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier,
BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE, dev);

kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);
bus_probe_device(dev);
if (parent)
klist_add_tail(&dev->p->knode_parent,
&parent->p->klist_children);

if (dev->class) {
mutex_lock(&dev->class->p->class_mutex);
/* tie the class to the device */
klist_add_tail(&dev->knode_class,
&dev->class->p->class_devices);

/* notify any interfaces that the device is here */
list_for_each_entry(class_intf,
&dev->class->p->class_interfaces, node)
if (class_intf->add_dev)
class_intf->add_dev(dev, class_intf);
mutex_unlock(&dev->class->p->class_mutex);
}
done:
put_device(dev);
return error;
DPMError:
bus_remove_device(dev);
BusError:
device_remove_attrs(dev);
AttrsError:
device_remove_class_symlinks(dev);
SymlinkError:
if (MAJOR(dev->devt))
device_remove_sys_dev_entry(dev);
devtattrError:
if (MAJOR(dev->devt))
device_remove_file(dev, &devt_attr);
ueventattrError:
device_remove_file(dev, &uevent_attr);
attrError:
kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_REMOVE);
kobject_del(&dev->kobj);
Error:
cleanup_device_parent(dev);
if (parent)
put_device(parent);
name_error:
kfree(dev->p);
dev->p = NULL;
goto done;
}
当你看到这一大段的时候，是不是感觉很郁闷，我也很郁闷，但是哥很高兴的说：依我们目前的功能，我们只分析kobject_add(&dev->kobj, dev->kobj.parent, NULL)就够了。从人生的低谷瞬间又找回自信其实很简单，就在现在。先给出函数定义：
int kobject_add(struct kobject *kobj, struct kobject *parent,
const char *fmt, ...)
{
va_list args;
int retval;

if (!kobj)
return -EINVAL;

if (!kobj->state_initialized) {
printk(KERN_ERR "kobject '%s' (%p): tried to add an "
"uninitialized object, something is seriously wrong./n",
kobject_name(kobj), kobj);
dump_stack();
return -EINVAL;
}
va_start(args, fmt);
retval = kobject_add_varg(kobj, parent, fmt, args);
va_end(args);

return retval;
}
这下代码少多了。
我们可以看到核心函数是kobject_add_varg(kobj, parent, fmt, args)，其定义如下：
static int kobject_add_varg(struct kobject *kobj, struct kobject *parent,
const char *fmt, va_list vargs)
{
int retval;

retval = kobject_set_name_vargs(kobj, fmt, vargs);
if (retval) {
printk(KERN_ERR "kobject: can not set name properly!/n");
return retval;
}
kobj->parent = parent;
return kobject_add_internal(kobj);
}
其中的kobject_set_name_vargs就是用于设置kobject的名字。
int kobject_set_name_vargs(struct kobject *kobj, const char *fmt,
va_list vargs)
{
const char *old_name = kobj->name;
char *s;

if (kobj->name && !fmt)
return 0;

kobj->name = kvasprintf(GFP_KERNEL, fmt, vargs);
if (!kobj->name)
return -ENOMEM;

/* ewww... some of these buggers have '/' in the name ... */
while ((s = strchr(kobj->name, '/')))
s[0] = '!';

kfree(old_name);
return 0;
}
下面就是kobject_add_internal这个函数了，其定义如下：
static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj)
{
int error = 0;
struct kobject *parent;

if (!kobj)
return -ENOENT;

if (!kobj->name || !kobj->name[0]) {
WARN(1, "kobject: (%p): attempted to be registered with empty "
"name!/n", kobj);
return -EINVAL;
}

parent = kobject_get(kobj->parent);

/* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */
if (kobj->kset) {
if (!parent)
parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);
kobj_kset_join(kobj);
kobj->parent = parent;
}

pr_debug("kobject: '%s' (%p): %s: parent: '%s', set: '%s'/n",
kobject_name(kobj), kobj, __func__,
parent ? kobject_name(parent) : "<NULL>",
kobj->kset ? kobject_name(&kobj->kset->kobj) : "<NULL>");

error = create_dir(kobj);
if (error) {
kobj_kset_leave(kobj);
kobject_put(parent);
kobj->parent = NULL;

/* be noisy on error issues */
if (error == -EEXIST)
printk(KERN_ERR "%s failed for %s with "
"-EEXIST, don't try to register things with "
"the same name in the same directory./n",
__func__, kobject_name(kobj));
else
printk(KERN_ERR "%s failed for %s (%d)/n",
__func__, kobject_name(kobj), error);
dump_stack();
} else
kobj->state_in_sysfs = 1;

return error;
}
凭着一个程序员的直觉，我们可以看到最重要的是create_dir(kobj);没错，哥猜的很对，就是它了，它和sysfs相关，创建了一个目录，具体这个函数因为牵涉的非常广，我们暂且不做分析。君子报仇，十年不晚，我们看谁笑到最后。在create_dir(kobj)之后我们将kobj->state_in_sysfs =置为1，很亲切吧。撞到老相识的感觉很爽吧，我们在后续分析内核的过程中会撞到越来越多的老相识，并且结识更多的新朋友。连著名歌唱家殷秀梅都知道学习内核的方法：结识新朋友，不忘老朋友……（80后朋友应该都认识，90后的有可能就不认识了）。
接下来我们来分析一下和kset有关的一个函数，那就是先给出函数原型：
struct kset *kset_create_and_add(const char *name,
struct kset_uevent_ops *uevent_ops,
struct kobject *parent_kobj)
{
struct kset *kset;
int error;

kset = kset_create(name, uevent_ops, parent_kobj);
if (!kset)
return NULL;
error = kset_register(kset);
if (error) {
kfree(kset);
return NULL;
}
return kset;
}
和上一节分析kobject一样，为了更好的讲解这个函数我们先要跳到上一层，我们先有必要看一下都有哪些朋友调用了它：int bus_register(struct bus_type *bus)。大名鼎鼎的总线注册。
我们看到bus_register函数中有这样几行代码：

priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL,
&priv->subsys.kobj);
if (!priv->devices_kset) {
retval = -ENOMEM;
goto bus_devices_fail;
}

priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL,
&priv->subsys.kobj);
可见kset和总线是关系的。OK。我们以第一段为基础讲解，分别传入了一个常字符串”devices”，一个空指针，一个kobject指针。
函数内部首先调用
static struct kset *kset_create(const char *name,
struct kset_uevent_ops *uevent_ops,
struct kobject *parent_kobj)
{
struct kset *kset;
int retval;

kset = kzalloc(sizeof(*kset), GFP_KERNEL); //分配一个kset结构体并初始化
if (!kset)
return NULL;
retval = kobject_set_name(&kset->kobj, name); //将传入的常字符串赋值给//kset->kobj->name
if (retval) {
kfree(kset);
return NULL;
}
kset->uevent_ops = uevent_ops; //将uevent_ops
kset->kobj.parent = parent_kobj; //将父类kobject指针赋值给kset->kobj.parent

/*
* The kobject of this kset will have a type of kset_ktype and belong to
* no kset itself. That way we can properly free it when it is
* finished being used.
*/
kset->kobj.ktype = &kset_ktype; //将kset_ktyp赋值给kset->kobj.parent
kset->kobj.kset = NULL; //将NULL赋值给kset->kobj.kset

return kset;
}
从上面标红的注释我们发现kset内嵌的kobject的重要性了。这是kset和kobject的重要关系。有一句话来形容叫我中有你，你中有我。接下来我们将做好的kset的指针的形式传给kset_register.
int kset_register(struct kset *k)
{
int err;

if (!k)
return -EINVAL;

kset_init(k);
err = kobject_add_internal(&k->kobj);
if (err)
return err;
kobject_uevent(&k->kobj, KOBJ_ADD);
return 0;
}

void kset_init(struct kset *k)
{
kobject_init_internal(&k->kobj);
INIT_LIST_HEAD(&k->list);
spin_lock_init(&k->list_lock);
}
接下来就是kobject_add_internal(&k->kobj)，又撞到老相识了，让我们再次高歌：结识新朋友，不忘老朋友…
好了，kobject,kobj_type,kset的关系我们大概清楚了，下面是我画的一个图用于表示这三者的关系：







好了，先抽根烟吧，下节我们继续分析。