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1、Linux设备模型:sysfs1. 前言sysfs是一个基于RAM的文件系统,它和Kobject一起,可以将Kernel的数据结构导出到用户空间,以文件目录结构的形式,提供对这些数据结构(以及数据结构的属性)的访问支持。sysfs具备文件系统的所有属性,而本文主要侧重其设备模型的特性,因此不会涉及过多的文件系统实现细节,而只介绍sysfs在Linux设备模型中的作用和使用方法。具体包括:sysfs和Kobject的关系attribute的概念sysfs的文件系统操作接口2. sysfs和Kobject的关系在Linux设备模型_Kobject”文章中,有提到过,每一个Kobject,都会对应s
2、ysfs中的一个目录。因此在将Kobject添加到Kernel时,create_dir接口会调用sysfs文件系统的创建目录接口,创建和Kobject对应的目录,相关的代码如下:1: /* lib/kobject.c, line 47 */2: static int create_dir(struct kobject *kobj)3: 4: int error = 0;5: error = sysfs_create_dir(kobj);6: if (!error) 7: error = populate_dir(kobj);8: if (error)9: sysfs_remove_dir(ko
3、bj);10: 11: return error;12: 13:14: /* fs/sysfs/dir.c, line 736 */15: *16: * sysfs_create_dir - create a directory for an object.17: * kobj: object were creaTIng directory for.18: */19: int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)20: 21: enum kobj_ns_type type;22: struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;
4、23: const void *ns = NULL;24: int error = 0;25: .26: 3. attribute3.1 attribute的功能概述在sysfs中,为什么会有attribute的概念呢?其实它是对应kobject而言的,指的是kobject的“属性”。我们知道,sysfs中的目录描述了kobject,而kobject是特定数据类型变量(如struct device)的体现。因此kobject的属性,就是这些变量的属性。它可以是任何东西,名称、一个内部变量、一个字符串等等。而attribute,在sysfs文件系统中是以文件的形式提供的,即:kobject的所有
5、属性,都在它对应的sysfs目录下以文件的形式呈现。这些文件一般是可读、写的,而kernel中定义了这些属性的模块,会根据用户空间的读写操作,记录和返回这些attribute的值。总结一下:所谓的atTIbute,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的运行行为,那么就可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来。Linux内核中,attribute分为普通的attribute和二进制attribute,如下:1: /* include/linux/sysfs.h, line 26 *
6、/2: struct attribute 3: const char *name;4: umode_t mode;5: #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC6: bool ignore_lockdep:1;7: struct lock_class_key *key;8: struct lock_class_key skey;9: #endif10: ;11:12: /* include/linux/sysfs.h, line 100 */13: struct bin_attribute 14: struct attribute attr;15: size_t size;
7、16: void *private;17: ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,18: char *, loff_t, size_t);19: ssize_t (*write)(struct file *,struct kobject *, struct bin_attribute *,20: char *, loff_t, size_t);21: int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *att
8、r,22: struct vm_area_struct *vma);23: ;struct attribute为普通的attribute,使用该attribute生成的sysfs文件,只能用字符串的形式读写(后面会说为什么)。而struct bin_attribute在struct attribute的基础上,增加了read、write等函数,因此它所生成的sysfs文件可以用任何方式读写。说完基本概念,我们要问两个问题:Kernel怎么把attribute变成sysfs中的文件呢?用户空间对sysfs的文件进行的读写操作,怎么传递给Kernel呢?下面来看看这个过程。3.2 atTIbute
9、文件的创建在linux内核中,atTIbute文件的创建是由fs/sysfs/file.c中sysfs_create_file接口完成的,该接口的实现没有什么特殊之处,大多是文件系统相关的操作,和设备模型没有太多的关系,这里先略过不提。3.3 attibute文件的read和write看到3.1章节struct attribute的原型时,也许我们会犯嘀咕,该结构很简单啊,name表示文件名称,mode表示文件模式,其它的字段都是内核用于debug Kernel Lock的,那文件操作的接口在哪里呢?不着急,我们去fs/sysfs目录下看看sysfs相关的代码逻辑。所有的文件系统,都会定义一个
10、struct file_operations变量,用于描述本文件系统的操作接口,sysfs也不例外:1: /* fs/sysfs/file.c, line 472 */2: const struct file_operations sysfs_file_operations = 3: .read = sysfs_read_file,4: .write = sysfs_write_file,5: .llseek = generic_file_llseek,6: .open = sysfs_open_file,7: .release = sysfs_release,8: .poll = sysfs
11、_poll,9: ;attribute文件的read操作,会由VFS转到sysfs_file_operations的read(也就是sysfs_read_file)接口上,让我们大概看一下该接口的处理逻辑。1: /* fs/sysfs/file.c, line 127 */2: static ssize_t3: sysfs_read_file(struct file *file, char _user *buf, size_t count, loff_t *ppos)4: 5: struct sysfs_buffer * buffer = file-private_data;6: ssize_
12、t retval = 0;7:8: mutex_lock(9: if (buffer-needs_read_fill | *ppos = 0) 10:retval = fill_read_buffer(file-f_path.dentry,buffer);11:if (retval)12:goto out;13:14: .15: 16: /* fs/sysfs/file.c, line 67 */17: static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)18: 19:struct s
13、ysfs_dirent *attr_sd = dentry-d_fsdata;20:struct kobject *kobj = attr_sd-s_parent-s_dir.kobj;21:const struct sysfs_ops * ops = buffer-ops;22:.23:count = ops-show(kobj, attr_sd-s_attr.attr, buffer-page);24:.25: read处理看着很简单,sysfs_read_file从file指针中取一个私有指针(注:大家可以稍微留一下心,私有数据的概念,在VFS中使用是非常普遍的),转换为一个struct
14、 sysfs_buffer类型的指针,以此为参数(buffer),转身就调用fill_read_buffer接口。而fill_read_buffer接口,直接从buffer指针中取出一个struct sysfs_ops指针,调用该指针的show函数,即完成了文件的read操作。那么后续呢?当然是由ops-show接口接着处理咯。而具体怎么处理,就是其它模块(例如某个driver)的事了,sysfs不再关心(其实,Linux大多的核心代码,都是只提供架构和机制,具体的实现,也就是苦力,留给那些码农吧!这就是设计的魅力)。不过还没完,这个struct sysfs_ops指针哪来的?好吧,我们再看看
15、open(sysfs_open_file)接口吧。1: /* fs/sysfs/file.c, line 326 */2: static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file)3: 4: struct sysfs_dirent *attr_sd = file-f_path.dentry-d_fsdata;5: struct kobject *kobj = attr_sd-s_parent-s_dir.kobj;6: struct sysfs_buffer *buffer;7: const struct sysfs_
16、ops *ops;8: int error = -EACCES;9:10:/* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */11:if (!sysfs_get_active(attr_sd)12:return -ENODEV;13:14:/* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */15:if (kobj-ktype 16:ops = kobj-ktype-sysfs_ops;17:else 18:WARN(1, KERN_ERR missing sysfs
17、attribute operations for 19:kobject: %sn, kobject_name(kobj);20:goto err_out;21:22:23:.24:25:buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);26:if (!buffer)27:goto err_out;28:29:mutex_init(30:buffer-needs_read_fill = 1;31:buffer-ops = ops;32:file-private_data = buffer;33:.34: 哦,原来和ktype有关系
18、。这个指针是从该attribute所从属的kobject中拿的。再去看一下Linux设备模型_Kobject”中ktype的定义,还真有一个struct sysfs_ops的指针。我们注意一下14行的注释以及其后代码逻辑,如果从属的kobject(就是attribute文件所在的目录)没有ktype,或者没有ktype-sysfs_ops指针,是不允许它注册任何attribute的!经过确认后,sysfs_open_file从ktype中取出struct sysfs_ops指针,并在随后的代码逻辑中,分配一个struct sysfs_buffer类型的指针(buffer),并把struct s
19、ysfs_ops指针保存在其中,随后(注意哦),把buffer指针交给file的private_data,随后read/write等接口便可以取出使用。嗯!惯用伎俩!顺便看一下struct sysfs_ops吧,我想你已经能够猜到了。1: /* include/linux/sysfs.h, line 124 */2: struct sysfs_ops 3: ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);4: ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,con
20、st char *, size_t);5: const void *(*namespace)(struct kobject *, const struct attribute *);6: ;attribute文件的write过程和read类似,这里就不再多说。另外,上面只分析了普通attribute的逻辑,而二进制类型的呢?也类似,去看看fs/sysfs/bin.c吧,这里也不说了。讲到这里,应该已经结束了,事实却不是如此。上面read/write的数据流,只到kobject(也就是目录)级别哦,而真正需要操作的是attribute(文件)啊!这中间一定还有一层转换!确实,不过又交给其它模块了
21、。 下面我们通过一个例子,来说明如何转换的。4. sysfs在设备模型中的应用总结让我们通过设备模型class.c中有关sysfs的实现,来总结一下sysfs的应用方式。首先,在class.c中,定义了Class所需的ktype以及sysfs_ops类型的变量,如下:1: /* drivers/base/class.c, line 86 */2: static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = 3: .show = class_attr_show,4: .store = class_attr_store,5: .namespace = class
22、_attr_namespace,6: ;7:8: static struct kobj_type class_ktype = 9: .sysfs_ops = 10:.release = class_release,11:.child_ns_type = class_child_ns_type,12: ;由前面章节的描述可知,所有class_type的Kobject下面的attribute文件的读写操作,都会交给class_attr_show和class_attr_store两个接口处理。以class_attr_show为例:1: /* drivers/base/class.c, line 24
23、 */2: #define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)3:4: static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,5: char *buf)6: 7: struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);8: struct subsys_private *cp = to_subsys_private(kobj);9: s
24、size_t ret = -EIO;10:11:if (class_attr-show)12:ret = class_attr-show(cp-class, class_attr, buf);13:return ret;14: 该接口使用container_of从struct attribute类型的指针中取得一个class模块的自定义指针:struct class_attribute,该指针中包含了class模块自身的show和store接口。下面是struct class_attribute的声明:1: /* include/linux/device.h, line 399 */2: st
25、ruct class_attribute 3: struct attribute attr;4: ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,5: char *buf);6: ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr,7: const char *buf, size_t count);8: const void *(*namespace)(struct class *class,9: const struct class_attribute *attr);10: ;因此,所有需要使用attribute的模块,都不会直接定义struct attribute变量,而是通过一个自定义的数据结构,该数据结构的一个成员是struct attribute类型的变量,并提供show和store回调函数。然后在该模块ktype所对应的struct sysfs_ops变量中,实现该本模块整体的show和store函数,并在被调用时,转接到自定义数据结构(struct class_attribute)中的show和store函数中。这样,每个atrribute文件,实际上对应到一个自定义数据结构变量中了。
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