kobject && kset
在Linux2.6以後，提出了新的設備模型，新設備模型的核心概念是內核對象與內核集合，並在此基礎上，採用面向對象的思想提出了許多新的數據類型，如設備、總線等，以對各類外圍設備進行有效的管理。linux
1、引用計數：數組
Linux內核中每個對象都包含有一個引用計數器strut kref，在linux/kref.h文件中：函數
struct kref {
atomic_t refcount;
};
引用計數器使用原子操做來完成引用計數的加減操做，基本操做以下：atom
void kref_init(struct kref *kref); // 初始化引用計數的值爲1 void kref_get(struct kref *kref); // 引用計數加1 int kref_put(struct kref *kref, void (*release) (struct kref *kref)); // 引用計數減1，若是引用計數的值降爲0，則調用release方法釋放對象
在實際的應用中，支持引用計數的數據類型，會嵌套一個struct kref類型的成員，並提供一個釋放函數。在後續的分析內核對象的時候，能夠很清楚的看到引用計數是怎麼使用的。spa
2、內核對象kobject:
debug
內核對象是設備模型中最基本的數據類型，每個內核對象都對應sysfs文件系統中的一個目錄，內核對象的父子關係對應着目錄的層次關係。設計
內核對象數據類型在linux/kobject.h頭文件聲明：指針
struct kobject {
const char *name; // 對象名字，即咱們在sysfs文件系統下顯示的目錄名
struct list_head entry; // 用於連接到集合鏈表中
struct kobject *parent; //父kobject對象
struct kset *kset; // 對象所屬的集合
struct kobj_type *ktype; //對象的屬性與訪問方法
struct sysfs_dirent *sd; // 對象對應的sysfs目錄項
struct kref kref; // 對象的引用計數
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;
};
當咱們要使用一個內核對象的時候，首先是初始化這個內核對象，而後將其添加到內核中。經常使用操做以下：code
// 初始化內核對象 void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype); // 設置內核對象的名字 int kobject_set_name(struct kobject * kobj, const char * fmt, ...); // 添加到內核中 int kobject_add(struct kobject *kobj, struct kobject *parent, const char *fmt, ...); // 爲了簡化上述的3個操做，能夠直接使用此接口： int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype, struct kobject *parent, const char *fmt, ...); // 刪除kobj內核對象：此操做內部會自動將引用計數減1，若是降爲0，調用kobject_put ()方法釋放內核對象 void kobject_del(struct kobject *kobj);
此外，還提供了動態建立kobject的接口：對象
struct kobject *kobject_create(void); struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent);
內核對象的引用計數操做：
1) 增長引用計數：
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)
{
if (kobj)
kref_get(&kobj->kref); //直接調用引用計數的get方法
return kobj;
}
2） 減小引用計數：當引用計數減爲0時，會自動調用kobject_release()方法
void kobject_put(struct kobject *kobj)
{
if (kobj) {
if (!kobj->state_initialized)
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); // 直接調用引用計數的put方法
}
}
下面簡單的分析一下內核對象的註冊與釋放函數的內部實現：
1. 註冊內核對象kobject_add(): 在註冊以前，必須先調用kobject_init()函數進行初始化
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) { //內核對象未初始化
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;
}
static int kobject_add_varg(struct kobject *kobj, struct kobject *parent,
const char *fmt, va_list vargs)
{
int retval;
// 先設置好內核對象的名字
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);
}
看來內核對象註冊的真正操做是在kobject_add_internal()函數內部完成的：
static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj)
{
int error = 0;
struct kobject *parent;
if (!kobj)
return -ENOENT;
if (!kobj->name || !kobj->name[0]) { // 必須設置好內核對象的名字，不然會註冊失敗
WARN(1, "kobject: (%p): attempted to be registered with empty "
"name!\n", kobj);
return -EINVAL;
}
parent = kobject_get(kobj->parent); //增長父對象的引用計數
/* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */
// 若是沒有設置其所屬的父對象，則將其所屬的內核集合kset做爲其父對象
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); //在sysfs文件系統中建立kobj對應的目錄
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; // 表示成功在sysfs文件系統中建立對應目錄
return error;
}
大體的代碼邏輯都有註釋，可見每個kobject類型的內核對象，都會與sysfs文件系統中的sysfs_dirent對象對應起來！這個關係會在後續的分析sysfs文件系統中看到，這裏贊不分析。
2. 釋放內核對象kobject_put():
在前面已經看到了kobject_put()方法會在內核對象的引用計數爲0時，調用kobejct_release()方法進行釋放：
static void kobject_release(struct kref *kref)
{
kobject_cleanup(container_of(kref, struct kobject, kref));
}
/*
* kobject_cleanup - free kobject resources.
* @kobj: object to cleanup
*/
static void kobject_cleanup(struct kobject *kobj)
{
struct kobj_type *t = get_ktype(kobj);
const char *name = kobj->name;
pr_debug("kobject: '%s' (%p): %s\n", kobject_name(kobj), kobj, __func__);
// 若是咱們沒有爲內核對象設置一個release的方法，則會打印下面的這個信息！
if (t && !t->release)
pr_debug("kobject: '%s' (%p): does not have a release() "
"function, it is broken and must be fixed.\n", kobject_name(kobj), kobj);
/* send "remove" if the caller did not do it but sent "add" */
if (kobj->state_add_uevent_sent && !kobj->state_remove_uevent_sent) {
pr_debug("kobject: '%s' (%p): auto cleanup 'remove' event\n", kobject_name(kobj), kobj);
kobject_uevent(kobj, KOBJ_REMOVE); // 發生KOBJ_REMOVE類型的用戶態事件
}
/* remove from sysfs if the caller did not do it */
if (kobj->state_in_sysfs) {
pr_debug("kobject: '%s' (%p): auto cleanup kobject_del\n", kobject_name(kobj), kobj);
kobject_del(kobj); //刪除內核對象對應的sysfs_dirent目錄，減小父對象的引用計數等操做
}
if (t && t->release) {
pr_debug("kobject: '%s' (%p): calling ktype release\n", kobject_name(kobj), kobj);
t->release(kobj); // 回調咱們自定義的釋放函數
}
/* free name if we allocated it */
if (name) {
pr_debug("kobject: '%s': free name\n", name);
kfree(name);
}
}
在這裏咱們看到內核對象的釋放函數，是在kobj_type結構體中定義的：
struct kobj_type {
void (*release)(struct kobject *kobj); //內核對象的釋放回調函數
struct sysfs_ops *sysfs_ops; // 屬性訪問方法
struct attribute **default_attrs; //屬性數組,以NULL結束
};
每個屬性，採用strut attribute結構體表示：
struct attribute {
const char *name; //屬性名
struct module *owner;//屬性全部者,已再也不使用
mode_t mode;//屬性權限
};
每個屬性對應於sysfs中的此內核對象目錄下的一個文件，文件名記爲name，文件權限即爲mode。屬性既然表現爲文件的形式，那麼就必定能夠讀寫。當應用程序讀寫屬性文件時，內核將回調由成員sysfs_ops指向的操做：
struct sysfs_ops {
ssize_t (*show)(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf); // read
ssize_t (*store)(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buf, size_t size); // write
};
當應用程序讀取屬性文件時，會調用show指向的回調函數。當應用程序寫屬性文件時，會調用store執行的回調函數。與文件的讀read相比，show操做只傳入了一個緩衝區地址，並無傳遞緩衝區的長度。實際上，buf執行的緩衝區是由內核自動分配的，長度是一頁內存，通常是4KB。上述的show與store操做的buf，並非用戶態內存指針，因此能夠直接訪問。
在實際的操做中，咱們可能沒法在初始化的時候就把全部的屬性添加進去，有可能在運行過程當中動態建立屬性文件，所以內核提供了動態添加和刪除屬性接口：
int sysfs_create_file(struct kobject * kobj, const struct attribute * attr); void sysfs_remove_file(struct kobject * kobj, const struct attribute * attr);
使用上述接口，咱們能夠在內核代碼中動態的爲內核對象增長或去除屬性。
仔細看struct kobj_type類型，會發現sysfs_ops只提供了show與store操做，即內核對象的全部屬性的訪問，都會調用到sysfs_ops提供的show與store操做。Linux內核爲了可讓咱們在定義屬性的時候更加的靈活，由爲咱們提供了以下的數據類型：
struct kobj_attribute {
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, char *buf);
ssize_t (*store)(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count);
};
這樣子咱們就能夠指定每個屬性對應的show和store方法。那內核是如何實現的呢？核心就在於container_of宏的靈活使用：
/* default kobject attribute operations */
static ssize_t kobj_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
{
struct kobj_attribute *kattr;
ssize_t ret = -EIO;
// 從attr地址獲得其所在的kobj_attribute屬性對象的指針
kattr = container_of(attr, struct kobj_attribute, attr);
// 調用kobj_attribute屬性對象的具體show方法
if (kattr->show)
ret = kattr->show(kobj, kattr, buf);
return ret;
}
static ssize_t kobj_attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buf, size_t count)
{
struct kobj_attribute *kattr;
ssize_t ret = -EIO;
// 從attr地址獲得其所在的kobj_attribute屬性對象的指針
kattr = container_of(attr, struct kobj_attribute, attr);
// 調用kobj_attribute屬性對象的具體store方法
if (kattr->store)
ret = kattr->store(kobj, kattr, buf, count);
return ret;
}
struct sysfs_ops kobj_sysfs_ops = {
.show = kobj_attr_show,
.store = kobj_attr_store,
};
從上述的源碼能夠看出，咱們能夠在定義屬性時，把struct attribute嵌套到自定義屬性類型中，而後編寫一個統一的show和store操做，在統一的show和store操做內部再回調屬性的真正show與store方法。固然咱們也是能夠直接把struct kobj_attribute嵌套到咱們自定義的屬性類型中的。
內核爲了方便咱們初始化struct kobj_attribute對象，提供了以下的宏：
#define __ATTR(_name,_mode,_show,_store) { \
.attr = {.name = __stringify(_name), .mode = _mode }, \
.show = _show, \
.store = _store, \
}
這個宏在device, device_driver和bus中都有用到，後面分析總線、設備、驅動的時候會看到其使用。
3、內核集合kset:
內核集合是基於內核對象設計的，它能夠收納內核對象，將收納的內核對象添加到鏈表中保存，同時管理其收納的內核對象所發送的用戶態事件。
struct kset {
struct list_head list; //用於保存收納的內核對象
spinlock_t list_lock; //用於保證原子操做上述鏈表
struct kobject kobj; //內核集合也表示一個內核對象
struct kset_uevent_ops *uevent_ops;//管理用戶態事件的發送
};
當咱們要使用一個內核集合對象時，首先是初始化內核集合對象，而後將其註冊到內核中，經常使用接口以下：
// 初始化內核集合對象 void kset_init(struct kset *k); // 註冊內核集合對象 int kset_register(struct kset *k); //在此接口內部會調用kset_init()， // 動態建立並註冊內核集合對象， struct kset *kset_create_and_add(const char *name, struct kset_uevent_ops *uevent_ops, struct kobject *parent_kobj); // 註銷已註冊的內核集合對象 void kset_unregister(struct kset *k); // 內核集合引用計數加1 static inline struct kset *kset_get(struct kset *k) // 內核集合引用計數減1 static inline void kset_put(struct kset *k); // 經過name查找內核集合中的內核對象 struct kobject *kset_find_obj(struct kset *kset, const char *name);
這裏要注意的是，若是咱們使用kset_register()方法註冊內核集合，須要在註冊前，初始化好uevent_ops和kobj對象的name成員，由於kset_init()方法內部並無初始化此成員。
內核集合的註冊實現源碼並不複雜，只要理解了kset自己也是一個kobject，就很容易其過程了。
4、一個簡單的例子：
在/sys目錄下建立一個persons目錄，包含有3個子目錄 ，結構以下所示，name可讀寫，sex是隻讀的。
persons | person-0 | sex | name | person-1 | sex | name | person-2 | sex | name
example:
#include <linux/module.h>
#include <linux/kobject.h>
#define PERSON_NUMS 3
#define ENTER() printk(KERN_DEBUG "%s() Enter", __func__)
#define EXIT() printk(KERN_DEBUG "%s() Exit", __func__)
#define ERR(fmt, args...) printk(KERN_ERR "%s()-%d: " fmt "\n", __func__, __LINE__, ##args)
#define DBG(fmt, args...) printk(KERN_DEBUG "%s()-%d: " fmt "\n", __func__, __LINE__, ##args)
struct person {
struct kobject kobj;
char name[16];
char sex;
};
// call when we kobject_put() to let kref to be 0
static void person_release(struct kobject *kobj)
{
struct person *per = container_of(kobj, struct person, kobj);
ENTER();
kfree(per);
EXIT();
}
// generic attr show function
static ssize_t attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
{
struct kobj_attribute *kattr;
ssize_t ret = -EIO;
kattr = container_of(attr, struct kobj_attribute, attr);
ENTER();
if (kattr->show) {
ret = kattr->show(kobj, kattr, buf);
}
EXIT();
return ret;
}
// generic attr store function
static ssize_t attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
const char *buf, size_t count)
{
struct kobj_attribute *kattr;
ssize_t ret = -EIO;
kattr = container_of(attr, struct kobj_attribute, attr);
ENTER();
if (kattr->store) {
ret = kattr->store(kobj, kattr, buf, count);
}
EXIT();
return ret;
}
static struct sysfs_ops person_attr_ops = {
.show = attr_show,
.store = attr_store,
};
/*
show and store function for spcific attributes, like sex and name.
*/
static ssize_t sex_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *kattr, char *buf)
{
ENTER();
struct person *per = container_of(kobj, struct person, kobj);
ssize_t ret = sprintf(buf, "%c\n", per->sex);
EXIT();
return ret;
}
static ssize_t sex_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *kattr,
const char *buf, size_t len)
{
ENTER();
DBG("no prividge");
return -EACCES; // it means no prividge.
}
static ssize_t name_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *kattr, char *buf)
{
ENTER();
struct person *per = container_of(kobj, struct person, kobj);
ssize_t len = strlen(per->name);
memcpy(buf, per->name, len);
EXIT();
return len;
}
static ssize_t name_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *kattr,
const char *buf, size_t len)
{
ENTER();
DBG("buf: %s, len:%u", buf, len);
struct person *per = container_of(kobj, struct person, kobj);
snprintf(per->name, sizeof(per->name), "%s", buf);
EXIT();
return len;
}
static struct kobj_attribute attr_sex = \
__ATTR(sex, S_IRUGO, sex_show, sex_store);
static struct kobj_attribute attr_name = \
__ATTR(name, S_IRUGO | S_IWUGO, name_show, name_store);
static struct attribute *person_default_attrs[] = {
&attr_sex.attr,
&attr_name.attr,
NULL,
};
static struct kobj_type person_kobj_type = {
.release = person_release,
.sysfs_ops = &person_attr_ops,
.default_attrs = person_default_attrs,
};
static struct kset *persons = NULL;
/*
persons
| person-0
| sex
| name
| person-1
| sex
| name
| person-2
| sex
| name
*/
static __init int sysfs_demo_init(void)
{
struct person *per;
int i;
int err;
struct list_head *cur, *next;
struct kobject *p_cur;
ENTER();
persons = kset_create_and_add("persons", NULL, NULL);
if (!persons) {
ERR("kset_create_and_add fail");
return -ENOMEM;
}
for (i = 0; i < PERSON_NUMS; ++i) {
per = kzalloc(sizeof(struct person), GFP_KERNEL);
if (!per) {
ERR("kzalloc fail");
goto _fail;
}
per->kobj.kset = persons;
per->sex = ((i % 2) == 0) ? 'M' : 'F';
snprintf(per->name, sizeof(per->name), "person-%d", i);
DBG("name: %s", per->name);
err = kobject_init_and_add(&per->kobj, &person_kobj_type, NULL, per->name);
if (err) {
ERR("kobject_init_and_add fail");
goto _fail;
}
DBG("kobject_init_and_add success");
kobject_uevent(&per->kobj, KOBJ_ADD);
}
EXIT();
return 0;
_fail:
if (persons) {
DBG("in fail");
list_for_each_safe(cur, next, &persons->list) {
p_cur = container_of(cur, struct kobject, entry);
kobject_put(p_cur);
}
kset_unregister(persons);
persons = NULL;
}
return err;
}
static __exit void sysfs_demo_exit(void)
{
struct list_head *cur, *next;
struct kobject *p_cur;
if (persons) {
ENTER();
list_for_each_safe(cur, next, &persons->list) {
p_cur = container_of(cur, struct kobject, entry);
DBG("kobject_put begin");
kobject_put(p_cur);
}
kset_unregister(persons);
persons = NULL;
}
EXIT();
}
module_init(sysfs_demo_init);
module_exit(sysfs_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
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