需要了解Linux设备管理_kobject_kset_kobj_type等问题

Linux内核大量使用面向对象的设计思想，通过追踪源码，我们甚至可以使用面向对象语言常用的UML类图来分析Linux设备管理的"类"之间的关系。这里以4.8.5内核为例从kobject，kset，ktype的分析入手，进而一探内核对于设备的管理方式

container_of宏

这个宏几乎是linux数据结构的基础，Linux中的链表与传统的链表不同，其链表的节点本身并不包含任何数据，任何想要插入到链表的数据只需要包含一个事先写好的节点

//include/linux/types.h184 struct list_head { 185 struct list_head *next, *prev;186 };

但是，使用这种通用的链表的第一个问题就是如何根据一个list_head成员来找到相应的数据，Linux社区的大神们早就找到了相应的方法，就是利用下面这个container_of宏，只需要输入成员指针ptr，包含该成员的结构体类型type，以及该成员在结构体中名字name就可以返回包含ptr的type类型的结构首地址，这个宏充分利用了C语言直接操作内存的特性。需要注意的是，如果单纯为了得到地址只需要ptr-&((type* 0)->member)，内核的写法其实还利用了编译器的类型检查机制做了一份校验工作，即如果传入的ptr类型和type->member的类型不匹配，会报错，

//include/linux/kernel.h14 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) 830 #define container_of(ptr, type, member) ({ \ 831 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \832 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

kobject结构

Linux内核中有大量的驱动，而这些驱动往往具有类似的结构，根据面向对象的思想，我们就可以将这些共同的部分提取为父类，这个父类就是kobject，也就是驱动编程中使用的.ko文件的由来，下面这张图是我根据内核源码的kobject绘制的简单的UML图，从中可以看出，kobject包含了大量的设备必须的信息，而三大类设备驱动都需要包含这个kobject结构，也就是"继承"自kobject。一个kobject对象就对应sys目录中的一个设备。
内核源码中的kobject结构定义如下

//include/linux/kobject.h 63 struct kobject { 64 const char *name; 65 struct list_head entry; 66 struct kobject *parent; 67 struct kset *kset; 68 struct kobj_type *ktype; 69 struct kernfs_node *sd; /* sysfs directory entry */ 70 struct kref kref; 71 #ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE 72 struct delayed_work release; 73 #endif 74 unsigned int state_initialized:1; 75 unsigned int state_in_sysfs:1; 76 unsigned int state_add_uevent_sent:1; 77 unsigned int state_remove_uevent_sent:1; 78 unsigned int uevent_suppress:1; 79 };

这个结构中，

struct kobject
--64-->name表示kobject对象的名字，对应sysfs下的一个目录。
--65-->entry是kobject中插入的head_list结构，
--66-->parent是指向当前kobject父对象的指针，体现在sys结构中就是包含当前kobject对象的目录对象，
--67-->kset表示当前kobject对象所属的集合，
--68-->ktype表示当前kobject的类型。
--69-->sd用于表示VFS文件系统的目录项，是设备与文件之间的桥梁，sysfs中的符号链接就是通过kernfs_node内的联合体实现的。
--70-->kref是对kobject的引用计数，当引用计数为0时，就回调之前注册的release方法释放该对象。
--74-->state_initialized:1初始化标志位，在对象初始化时被置位，表示对象是否已经被初始化。
--75-->state_in_sysfs:1表示kobject对象在sysfs中的状态，在对应目录中被创建则置1，否则为0。
--76-->state_add_uevent_sent:1是添加设备的uevent事件是否发送标志，添加设备时会向用户空间发送uevent事件，请求新增设备。
--77-->state_remove_uevent_sent:1是删除设备的uevent事件是否发送标志，删除设备时会向用户空间发送uevent事件，请求卸载设备

kobject操作

4.8.5的内核在lib/koject.c等源码中定义了一系列对kobject操作的函数，这里只列出最简单的几个

初始化kobject

187 static void kobject_init_internal(struct kobject *kobj) 188 { 189 if (!kobj) 190 return; 191 kref_init(&kobj->kref); 192 INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry); 193 kobj->state_in_sysfs = 0; 194 kobj->state_add_uevent_sent = 0; 195 kobj->state_remove_uevent_sent = 0; 196 kobj->state_initialized = 1; 197 } 325 void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype) 326 { 327 char *err_str; ... 344 kobject_init_internal(kobj); 345 kobj->ktype = ktype; 346 return; ... 351 }

注册kobject

//添加kobject到内核 200 static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj) 201 { 202 int error = 0; 203 struct kobject *parent; ... 214 parent = kobject_get(kobj->parent); 215 216 /* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */ 217 if (kobj->kset) { 218 if (!parent) 219 parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj); 220 kobj_kset_join(kobj); 221 kobj->parent = parent; 222 } 223 224 pr_debug("kobject: '%s' (%p): %s: parent: '%s', set: '%s'\n", 225 kobject_name(kobj), kobj, __func__, 226 parent ? kobject_name(parent) : "", 227 kobj->kset ? kobject_name(&kobj->kset->kobj) : ""); 228 229 error = create_dir(kobj); ... 246 kobj->state_in_sysfs = 1; 247 248 return error; 249 } 354 static __printf(3, 0) int kobject_add_varg(struct kobject *kobj, 355 struct kobject *parent, 356 const char *fmt, va_list vargs) 357 { 358 int retval; ... 365 kobj->parent = parent; 366 return kobject_add_internal(kobj); 367 } 394 int kobject_add(struct kobject *kobj, struct kobject *parent, 395 const char *fmt, ...) 396 { 397 va_list args; 398 int retval; ... 410 va_start(args, fmt); 411 retval = kobject_add_varg(kobj, parent, fmt, args); 412 va_end(args); 413 414 return retval; 415 }

初始化并注册kobject

429 int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype, 430 struct kobject *parent, const char *fmt, ...) 431 { 432 va_list args; 433 int retval; 434 435 kobject_init(kobj, ktype); 436 437 va_start(args, fmt); 438 retval = kobject_add_varg(kobj, parent, fmt, args); 439 va_end(args); 440 441 return retval; 442 }

注销kobject

569 void kobject_del(struct kobject *kobj) 570 { 571 struct kernfs_node *sd; 572 573 if (!kobj) 574 return; 575 576 sd = kobj->sd; 577 sysfs_remove_dir(kobj); 578 sysfs_put(sd); 579 580 kobj->state_in_sysfs = 0; 581 kobj_kset_leave(kobj); 582 kobject_put(kobj->parent); 583 kobj->parent = NULL; 584 }

kobject计数加一

//lib/kobject.c 591 struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj) 592 { 593 if (kobj) { 594 if (!kobj->state_initialized) 595 WARN(1, KERN_WARNING "kobject: '%s' (%p): is not " 596 "initialized, yet kobject_get() is being " 597 "called.\n", kobject_name(kobj), kobj); 598 kref_get(&kobj->kref); 599 } 600 return kobj; 601 }

kobject计数减一

//将kobject对象的引用计数加1,同时返回该对象指针。//include/linux/kref.h 40 static inline void kref_get(struct kref *kref) 41 { 42 /* If refcount was 0 before incrementing then we have a race 43 * condition when this kref is freeing by some other thread right now. 44 * In this case one should use kref_get_unless_zero() 45 */ 46 WARN_ON_ONCE(atomic_inc_return(&kref->refcount) < 2); 47 } //lib/kobject.c 591 struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj) 592 { 593 if (kobj) { ... 598 kref_get(&kobj->kref); 599 } 600 return kobj; 601 }

//将kobject对象的引用计数加1,如果减为零就释放//include/linux/kref.h 67 static inline int kref_sub(struct kref *kref, unsigned int count, 68 void (*release)(struct kref *kref)) 69 { 70 WARN_ON(release == NULL); 71 72 if (atomic_sub_and_test((int) count, &kref->refcount)) { 73 release(kref); 74 return 1; 75 } 76 return 0; 77 } 96 static inline int kref_put(struct kref *kref, void (*release)(struct kref *kref)) 97 { 98 return kref_sub(kref, 1, release); 99 }//lib/kobject.c 684 void kobject_put(struct kobject *kobj) 685 { 686 if (kobj) { ... 691 kref_put(&kobj->kref, kobject_release); 692 } 693 }

kset结构

kset表示一组kobject的集合，kobject通过kset组织成层次化的结构，所有属于该kset的kobjetc结构的parent指针指向kset包含的kobject对象，构成一个父子层次关系这些kobject可以是不同或相同的类型(kobj_type)。sysfs中的设备组织结构很大程度上都是根据kset进行组织的，比如"/sys/drivers"目录就是一个kset对象，包含系统中的驱动程序对应的目录，驱动程序的目录又kobject表示。比如在平台设备模型中，当我们注册一个设备或驱动到平台总线，其实是将对应的kobject挂接到platform总线的kset上，每种总线都是维护两条链表(两个kset)，一条用于链接挂接在上面的驱动(驱动kset)，一条用于链接挂接在上面的设备(设备kset)。

//include/linux/kobject.h168 struct kset {169 struct list_head list;170 spinlock_t list_lock;171 struct kobject kobj;172 const struct kset_uevent_ops*uevent_ops; 173 };

下面简单分析一下其中的成员

struct kset
--169-->list_head还是那个用来挂在链表上的结构，包含在一个kset的所有kobject构成了一个双向循环链表，list_head就是这个链表的头部，这个链表用来连接第一个和最后一个kobject对象，第一个kobjetc使用entry连接kset集合以及第二个kobject对象，第二个kobject对象使用entry连接第一个kobject对象和第三个kobject对象，依次类推，最终形成一个kobject对象的链表
--171-->kobj(171)是归属于该kset的所有的kobject的共有parent,这个parent就是体现内核设备组织结构的关键，同时，kset的引用计数就是内嵌的kobject对象的引用次数。

kset操作

下面是几个关于kset的基础操作方法

初始化kset

//lib/kobject.c 187 static void kobject_init_internal(struct kobject *kobj) 188 { 189 if (!kobj) 190 return; 191 kref_init(&kobj->kref); 192 INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry); 193 kobj->state_in_sysfs = 0; 194 kobj->state_add_uevent_sent = 0; 195 kobj->state_remove_uevent_sent = 0; 196 kobj->state_initialized = 1; 197 } 767 void kset_init(struct kset *k) 768 { 769 kobject_init_internal(&k->kobj); 770 INIT_LIST_HEAD(&k->list); 771 spin_lock_init(&k->list_lock); 772 }

注册kset

//lib/kobject.c 809 int kset_register(struct kset *k) 810 { 811 int err; 812 813 if (!k) 814 return -EINVAL; 815 816 kset_init(k); 817 err = kobject_add_internal(&k->kobj); 818 if (err) 819 return err; 820 kobject_uevent(&k->kobj, KOBJ_ADD); 821 return 0; 822 }

注销kset

//lib/kobject.c 829 void kset_unregister(struct kset *k) 830 { 831 if (!k) 832 return; 833 kobject_del(&k->kobj); 834 kobject_put(&k->kobj); 835 }

kset计数加一

//include/linux/kobject.h187 static inline struct kset *kset_get(struct kset *k) 188 {189 return k ? to_kset(kobject_get(&k->kobj)) : NULL;190 }

kset计数减一

192 static inline void kset_put(struct kset *k)193 {194 kobject_put(&k->kobj);195 }

kobj_type结构

//include/linux/kobject.h116 struct kobj_type {117 void (*release)(struct kobject *kobj);118 const struct sysfs_ops *sysfs_ops;119 struct attribute **default_attrs; 120 const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);121 const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);122 };

这个结构主要是表征kobject的类型，

struct ktype
--117-->release是一个释放kobject对象的接口，有点像面向对象中的析构。
--118-->sysfs_ops是操作kobject的方法集，

//include/linux/sysfs.h 29 struct attribute { 30 const char *name; 31 umode_t mode; 32 #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC 33 bool ignore_lockdep:1; 34 struct lock_class_key *key; 35 struct lock_class_key skey; 36 #endif 37 }; 209 struct sysfs_ops { 210 ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *, char *);211 ssize_t (*store)(struct kobject *, struct attribute *, const char *, si212 };

struct sysfs_ops
--210-->我们在使用cat echo等工具(read()/write()系统调用)进行读写sysfs中相应驱动的属性时，其实就是回调驱动的show()和store()。由此可见，对同一类型的kobject操作会回调同一个kobj_type的方法

//include/linux/kobject.h197 static inline struct kobj_type *get_ktype(struct kobject *kobj) 198 {199 return kobj->ktype;200 }

从这个函数中可以看出，4.8.5提取kobject的kobj_type的时候直接提取kobject的，我还测试过3.14版本的，也是这种写法，不过网上还有下面的这种get_ktype的实现，还没找到具体是哪个版本，显然，这个版本中kset中的ktype这个类型优先于 kobject 自身中的 ktype 。因此在典型的应用中, 在 struct kobject 中的 ktype 成员被设为 NULL, 而 kset 中的ktype是实际被使用的。

static inline struct kobj_type * get_ktype(struct kobject * k) { if (k->kset && k->kset->ktype) return k->kset->ktype; else return k->ktype; }

结构框图

kobject,kset是Linux设备管理中的基本结构体，但在实际操作中我们几乎不会实际操作这些结构，因为他们本身并不具有针对某一个具体设备或驱动的信息，在Linux内核中，这两个结构都是被包含具体的设备结构中，比如cdev，gendisk等，从面向对象的角度考虑，就是每一类设备都可以看作这两个结构的子类。
通过上面的分析，我们可以看出这三者之间的关系，并画出下面的结构框图，sysfs中的上目录结构就是根据kset之间的数据组织方式进行呈现的。