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Linux设备驱动模型-Kobject

而目前456_test目录下是不存在任何文件的,那是因为我们没有添加该obj的属性,此测试case将在下解完善。

Kobject是linux设备驱动模型的基础,也是设备模型中抽象的一部分。如果想了解设备驱动模型就需要明白Kobject的构成或原理。linux内核为了兼容各种形形色色的设备,就需要对各种设备的共性进行抽象,抽象出一个基类,其余的设备只需要继承此基类就可以了。而此基类就是kobject,但是C语言没有面向对象语法,这时候就需要将此基类(Kobject)嵌入到具体的结构体中,从而就可以访问控制此设备的操作。通常驱动程序员很少使用到kobject结构及其相关接口,而是使用封装之后的更高层的接口函数。

Kobject结构体

内核使用kobject来表示内核一个对象。

struct kobject {
	const char		*name;
	struct list_head	entry;
	struct kobject		*parent;
	struct kset		*kset;
	struct kobj_type	*ktype;
	struct kernfs_node	*sd;
	struct kref		kref;
#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
	struct delayed_work	release;
#endif
	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;
};

name: 用来表示内核对象的名称,如果该内核对象加入到系统,那么它的name就会出现在sys目录下。

entry: 用来将一系列的内核对象kobject连接成链表

parent: 用来指向该内核对象的上层节点,从而可以实现内核对象的层次化结构

kset: 用来执行内核对象所属的kset。kset对象用来容纳一系列同类型的kobject

ktype: 用来定义该内核对象的sys文件系统的相关操作函数和属性。

sd: 用来表示该内核对象在sys文件系统中的目录项实例

kref: 其核心是原子操作变量,用来表示该内核对象的引用计数。

state_initialized: 用来表示该内核对象的初始化状态,1表示已经初始化,0表示未初始化。

state_in_sysfs: 用来表示该内核对象是否在sys中已经存在。

state_add_uevent_sent: 用来表示该内核对象是否向用户空间发送了ADD uevent事件

state_remove_uevent_sent:用来表示该内核对象是否向用户空间发送了Remove uevent事件

uevent_suppress: 用来表示该内核对象状态发生改变时,时候向用户空间发送uevent事件,1表示不发送。

kobject数据结构通常的用法就是嵌入到某一个对象的数据结构中,比如struct device结构

struct device {
	struct device		*parent;

	struct device_private	*p;

	struct kobject kobj;
	const char		*init_name; /* initial name of the device */
	const struct device_type *type;

Kobject相关操作函数

kobject相关的操作函数一般驱动程序员是不会直接操作的。

  • kobject_init

该函数用于初始化一个kobject结构。

void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype)
{
	char *err_str;

	if (!kobj) {                                         //合法性检测
		err_str = "invalid kobject pointer!";
		goto error;
	}
	if (!ktype) {                                       //kobject结构必须设置相应的属性
		err_str = "must have a ktype to be initialized properly!\n";
		goto error;
	}
	if (kobj->state_initialized) {                      //如果已经初始化,在打印log
		/* 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();
}

除了ktype成员外,真正的初始化在kobject_init_internal函数中实现。

static void kobject_init_internal(struct kobject *kobj)
{
	if (!kobj)
		return;
	kref_init(&kobj->kref);                         //原子变量初始化
	INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry);                   //初始化链表
	kobj->state_in_sysfs = 0;                       //没有出现在sys目录中
	kobj->state_add_uevent_sent = 0;                 
	kobj->state_remove_uevent_sent = 0;
	kobj->state_initialized = 1;                    //已经初始化
}
  • kobject_set_name: 用于设置kobject中的name成员
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *fmt, ...)
{
	va_list vargs;
	int retval;

	va_start(vargs, fmt);
	retval = kobject_set_name_vargs(kobj, fmt, vargs);
	va_end(vargs);

	return retval;
}

如果kobject已经被加入到系统当中,就必须使用kobject_rename函数

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)                    //名字存在返回
		return 0;

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

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

	kfree(old_name);
	return 0;
}
  • kobject_get(增加kobject的引用计数)
/**
 * kobject_get - increment refcount for object.
 * @kobj: object.
 */
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)
{
	if (kobj)
		kref_get(&kobj->kref);      //原子加1操作
	return kobj;
}
  • kobject_put(减少kobject的引用计数)
/**
 * kobject_put - decrement refcount for object.
 * @kobj: object.
 *
 * Decrement the refcount, and if 0, call kobject_cleanup().
 */
void kobject_put(struct kobject *kobj)
{
	if (kobj) {
		if (!kobj->state_initialized)             //如果没有初始化,调用put函数,打印log
			WARN(1, KERN_WARNING "kobject: '%s' (%p): is not "
			       "initialized, yet kobject_put() is being "
			       "called.\n", kobject_name(kobj), kobj);
		kref_put(&kobj->kref, kobject_release);
	}
}

如果引用计数变为0,就调用kobject_release函数。

  • kobject_add(增加一个kobject到sys目录下)
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) {       //没有初始化的kobject,返回错误
		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);    //核心的实现代码
	va_end(args);

	return retval;
}
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);         //设置kobject的name
	if (retval) {
		printk(KERN_ERR "kobject: can not set name properly!\n");
		return retval;
	}
	kobj->parent = parent;                   //设置parent成员
	return kobject_add_internal(kobj);       //调用此函数进行进一步add操作
}
static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj)
{
	int error = 0;
	struct kobject *parent;

	if (!kobj)
		return -ENOENT;

	if (!kobj->name || !kobj->name[0]) {                  //尝试注册一个name为空的kobject
		WARN(1, "kobject: (%p): attempted to be registered with empty "
			 "name!\n", kobj);
		return -EINVAL;
	}

	parent = kobject_get(kobj->parent);                  //kobj的parent的引用计数加1,返回parent

	/* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */
	if (kobj->kset) {                            
		if (!parent)                                //在kset存在的前提下,如果kobj的parent节点为NULL,就将kobj的kset中的kobj设置为kobj的parent
			parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);
		kobj_kset_join(kobj);                       //添加kobj到kset的list链表中
		kobj->parent = parent;                      //设置kobj的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);                          //在sys下创建目录
	if (error) {
		kobj_kset_leave(kobj);
		kobject_put(parent);
		kobj->parent = NULL;

		/* be noisy on error issues */
		if (error == -EEXIST)
			WARN(1, "%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
			WARN(1, "%s failed for %s (error: %d parent: %s)\n",
			     __func__, kobject_name(kobj), error,
			     parent ? kobject_name(parent) : "'none'");
	} else
		kobj->state_in_sysfs = 1;                  //设置state_in_sysfs为1,代表obj已经初始化在sys中

	return error;
}

下来大概看看create_dir的过程,也就是创建目录的过程。

static int create_dir(struct kobject *kobj)
{
	const struct kobj_ns_type_operations *ops;
	int error;

	error = sysfs_create_dir_ns(kobj, kobject_namespace(kobj));                     //为kobject创建目录
	if (error)
		return error;

	error = populate_dir(kobj);                                           //填充kobj的属性
	if (error) {
		sysfs_remove_dir(kobj);
		return error;
	}

	/*
	 * @kobj->sd may be deleted by an ancestor going away.  Hold an
	 * extra reference so that it stays until @kobj is gone.
	 */
	sysfs_get(kobj->sd);                                             //kobj->sd引用计数加1

	/*
	 * If @kobj has ns_ops, its children need to be filtered based on
	 * their namespace tags.  Enable namespace support on @kobj->sd.
	 */
	ops = kobj_child_ns_ops(kobj);                             //namespace的知识
	if (ops) {
		BUG_ON(ops->type <= KOBJ_NS_TYPE_NONE);
		BUG_ON(ops->type >= KOBJ_NS_TYPES);
		BUG_ON(!kobj_ns_type_registered(ops->type));

		sysfs_enable_ns(kobj->sd);
	}

	return 0;
}

主要是分析下sysfs_create_dir_ns函数的执行流程。

/**
 * sysfs_create_dir_ns - create a directory for an object with a namespace tag
 * @kobj: object we're creating directory for
 * @ns: the namespace tag to use
 */
int sysfs_create_dir_ns(struct kobject *kobj, const void *ns)
{
	struct kernfs_node *parent, *kn;

	BUG_ON(!kobj);                            //如果执行到这里,kobj为NULL,就会panic

	if (kobj->parent)           
		parent = kobj->parent->sd;         //如果存在parent就在父目录下创建
	else
		parent = sysfs_root_kn;            //如果不存在parent,就在sys目录下创建

	if (!parent)
		return -ENOENT;

	kn = kernfs_create_dir_ns(parent, kobject_name(kobj),        //正真的创建函数,不是此节的重点,不再分析。
				  S_IRWXU | S_IRUGO | S_IXUGO, kobj, ns);
	if (IS_ERR(kn)) {
		if (PTR_ERR(kn) == -EEXIST)
			sysfs_warn_dup(parent, kobject_name(kobj));
		return PTR_ERR(kn);
	}

	kobj->sd = kn;
	return 0;
}
  • kobject_init_and_add(kobject_init函数和kobject_add函数的合并)
  • kobject_create(动态分析一个kobject)
struct kobject *kobject_create(void)
{
	struct kobject *kobj;

	kobj = kzalloc(sizeof(*kobj), GFP_KERNEL);            //分配一个kobject结构
	if (!kobj)
		return NULL;

	kobject_init(kobj, &dynamic_kobj_ktype);              //初始化kobject,kobj_type会在后面说到
	return kobj;
}
  • kobject_create_and_add(动态创建一个kobject然后注册到sys文件系统中,也就是kobject_create和kobject_add的结合体)
  • kobject_del(从sys删除对应的kobj)
void kobject_del(struct kobject *kobj)
{
	struct kernfs_node *sd;

	if (!kobj)
		return;           //如果不存在,直接返回。

	sd = kobj->sd;
	sysfs_remove_dir(kobj);    //从sys目录下删除kobj
	sysfs_put(sd);             //sd的引用技术减去1

	kobj->state_in_sysfs = 0;   //表示没有在sys中初始化
	kobj_kset_leave(kobj);      //如果存在于kset中,从kset中删除
	kobject_put(kobj->parent);  //parent引用计数减1
	kobj->parent = NULL;
}

举例

在sys目录下创建一个123_test的文件夹。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/init.h>
                                                                                                               
static struct kobject *kobj;

static int kobject_test_init(void)
{

    kobj = kobject_create_and_add("123_test", NULL);

    return 0;
}

static void kobject_test_exit(void)
{
    kobject_del(kobj);
}

module_init(kobject_test_init);
module_exit(kobject_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

测试结果如下:

root@test:/sys # ls -l 
drwxr-xr-x root     root              2012-01-02 09:31 123_test
drwxr-xr-x root     root              2012-01-02 07:13 bcm-dhd
drwxr-xr-x root     root              2012-01-02 05:02 block
drwxr-xr-x root     root              2012-01-02 05:02 bus
drwxr-xr-x root     root              2012-01-02 05:02 class
....

接着在123_test目录下创建456_test目录,修改代码如下:

#include <linux/module.h>                                                                                      
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/init.h>

static struct kobject *kobj;
static struct kobject *ckobj;

static int kobject_test_init(void)
{

    kobj = kobject_create_and_add("123_test", NULL);
    ckobj = kobject_create_and_add("456_test", kobj);

    return 0;
}

static void kobject_test_exit(void)
{
    kobject_del(ckobj);
    kobject_del(kobj);
}

module_init(kobject_test_init);
module_exit(kobject_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

测试结果如下:

root@test:/sys/123_test # ls
456_test

而目前456_test目录下是不存在任何文件的,那是因为我们没有添加该obj的属性,此测试case将在下解完善。

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