udev的实现原理

原文：《《转载时请注明出处和作者联系方式：http://blog.csdn.net/absurd作者联系方式：李先静<xianjimli at hotmail dot com>更新时间：2007-4-29》》

相对于linux来说，udev还是一个新事物。然而，尽管它03年才出现，尽管它很低调(J)，但它无疑已经成为linux下不可或缺的组件了。udev是什么？它是如何实现的？最近研究Linux设备管理时，花了一些时间去研究udev的实现。

udev是什么？u 是指user space，dev是指device，udev是用户空间的设备驱动程序吗？最初我也这样认为，调试内核空间的程序要比调试用户空间的程序复杂得多，内核空间的程序的BUG所引起的后果也严重得多，device driver是内核空间中所占比较最大的代码，如果把这些device driver中硬件无关的代码，从内核空间移动到用户空间，自然是一个不错的想法。

但我的想法并不正确，udev的文档是这样说的:

1.         dynamic replacement for /dev。作为devfs的替代者，传统的devfs不能动态分配major(直译：主要的)和minor（直译：次要的）的值，而major和minor非常有限，很快就会用完了。udev能够像DHCP动态分配IP地址一样去动态分配major和minor。

2.         device naming。提供设备命名持久化的机制。传统设备命名方式不具直观性，像/dev/hda1这样的名字肯定没有boot_disk这样的名字直观。udev能够像DNS解析域名一样去给设备指定一个有意义的名称。

3.         API to access info about current system devices 。提供了一组易用的API去操作sysfs，避免重复实现同样的代码，这没有什么好说的。

我们知道，用户空间的程序与设备通信的方法，主要有以下几种方式：

1.         通过ioperm获取操作IO端口的权限，然后用inb/inw/ inl/ outb/outw/outl等函数，避开设备驱动程序，直接去操作IO端口。（没有用过）

2.         用ioctl函数去操作/dev目录下对应的设备，这是设备驱动程序提供的接口。像键盘、鼠标和触摸屏等输入设备一般都是这样做的。

3.         用write/read/mmap去操作/dev目录下对应的设备，这也是设备驱动程序提供的接口。像framebuffer等都是这样做的。

上面的方法在大多数情况下，都可以正常工作，但是对于热插拨(hotplug)的设备，比如像U盘，就有点困难了，因为你不知道：什么时候设备插上了，什么时候设备拔掉了。这就是所谓的hotplug问题了。

处理hotplug传统的方法是，在内核中执行一个称为hotplug的程序，相关参数通过环境变量传递过来，再由hotplug通知其它关注hotplug事件的应用程序。这样做不但效率低下，而且感觉也不那么优雅。

新的方法是采用NETLINK实现的，这是一种特殊类型的socket，专门用于内核空间与用户空间的异步通信。下面的这个简单的例子，可以监听来自内核hotplug的事件。

编译：

gcc -g hotplug.c -o hotplug_monitor

运行后插/拔U盘，可以看到：

udev的主体部分在udevd.c文件中，它主要监控来自4个文件描述符的事件/消息，并做出处理：

1.         来自客户端的控制消息。这通常由udevcontrol命令通过地址为/org/kernel/udev/udevd的本地socket，向udevd发送的控制消息。其中消息类型有：

l         UDEVD_CTRL_STOP_EXEC_QUEUE 停止处理消息队列。

l         UDEVD_CTRL_START_EXEC_QUEUE 开始处理消息队列。

l         UDEVD_CTRL_SET_LOG_LEVEL 设置LOG的级别。

l         UDEVD_CTRL_SET_MAX_CHILDS 设置最大子进程数限制。好像没有用。

l         UDEVD_CTRL_SET_MAX_CHILDS_RUNNING 设置最大运行子进程数限制(遍历proc目录下所有进程，根据session的值判断)。

l         UDEVD_CTRL_RELOAD_RULES 重新加载配置文件。

2.         来自内核的hotplug事件。如果有事件来源于hotplug，它读取该事件，创建一个udevd_uevent_msg对象，记录当前的消息序列号，设置消息的状态为EVENT_QUEUED,然后并放入running_list和exec_list两个队列中，稍后再进行处理。

3.         来自signal handler中的事件。signal handler是异步执行的，即使有signal产生，主进程的select并不会唤醒，为了唤醒主进程的select，它建立了一个管道，在signal handler中，向该管道写入长度为1个子节的数据，这样就可以唤醒主进程的select了。

4.         来自配置文件变化的事件。udev通过文件系统inotify功能，监控其配置文件目录/etc/udev/rules.d，一旦该目录中文件有变化，它就重新加载配置文件。

其中最主要的事件，当然是来自内核的hotplug事件，如何处理这些事件是udev的关键。udev本身并不知道如何处理这些事件，也没有必要知道，因为它只实现机制，而不实现策略。事件的处理是由配置文件决定的，这些配置文件即所谓的rule。

关于rule的编写方法可以参考《writing_udev_rules》，udev_rules.c实现了对规则的解析。

在规则中，可以让外部应用程序处理某个事件，这有两种方式，一种是直接执行命令，通常是让modprobe去加载驱动程序，或者让mount去加载分区。另外一种是通过本地socket发送消息给某个应用程序。

在udevd.c:udev_event_process函数中，我们可以看到，如果RUN参数以”socket:”开头则认为是发到socket，否则认为是执行指定的程序。

下面的规则是执行指定程序：

60-pcmcia.rules:                RUN+="/sbin/modprobe pcmcia"

下面的规则是通过socket发送消息：

90-hal.rules:RUN+="socket:/org/freedesktop/hal/udev_event"

hal正是我们下一步要关心的，接下来我会分析HAL的实现原理。

~~end~~

udev 代替了hotplug 和 hwdetect两个工具.

“udev是 Linux 内核的设备管理器。总的来说，它取代了 devfs 和 hotplug，负责管理 /dev 中的设备节点，。这意味着 udev 要管理/dev目录以及用户空间中所有的硬件添加删除操作。” 摘自: Wikipedia:Udev

与传统的顺序加载不同，udev 可以并行加载内核模块，具有潜在的性能优势。异步加载模块的方式也有一个天生的缺点：无法保证每次加载模块的顺序，如果机器具有多个块设备，那么它们的设备节点可能随机变化。例如如果有两个硬盘，/dev/sda 可能会随机变成/dev/sdb。后面有更详细的信息。

udev规则

管理员编写的 udev 的规则保存在/etc/udev/rules.d/，其中的文件名要以.rules结尾。

各种软件包提供的规则文件位于 /lib/udev/rules.d/。如果两个目录中有相同名称的文件，会使用 /etc 中的文件。

要想学习写udev规则，请访问编写 udev 规则:http://www.reactivated.net/writing_udev_rules.html。

要得到编写规则可以使用的全部属性，请使用下面的指令：

# udevadm info -a -p [device name]

用系统中的设备替换上面的[device name]，比如/dev/sda 或者/dev/ttyUSB0。

udev 会自动检测规则文件的修改，所以更改不需要重启 udev 就会立即生效。但是规则不会被已有设备重新触发，所以热插拔设备（如USB设备等）可能需要重新连接才会使新规则生效。

使用技巧

问题解决

屏蔽模块

极个别情况下，udev 也会犯错或加载错误的模块。为了防止错误的发生，你可以使用模块禁用列表。只要模块加入该列表，无论是启动时，或者是运行时（如usb硬盘等）udev都不会加载这些模块。参见blacklisting:https://wiki.archlinux.org/index.php/Blacklisting#Blacklisting.

已知的硬件问题

BusLogic

BusLogic 设备被损坏而且导致启动时死机。这是一个内核的Bug目前还没有修正。

一些移动设备不可移除

创建自定义 udev 规则，设置 UDISKS_SYSTEM_INTERNAL=0。参见 udisks 手册。

自动加载问题

声音问题和一些不能自动加载的模块

一些用户发现 /etc/modprobe.d/sound.conf 中的遗留配置会引起这些问题，请清理配置并重试。

多个同类型设备（网卡，声卡）每次启动的都不同

因为udev同时加载所有模块，所以一些设备可能初始化顺序不同。例如同时有两个网卡时，它们总是在eth0和eth1之间变来变去。

常用的解决办法是在您的rc.conf文件中通过修改MODULES队列来指明顺序。这个队列里的模块将在udev自动加载之前由系统加载，因此您可以控制模块在启动时加载顺序。

# 在e100之前加载8139too
MODULES=(8139too e100)

另一个解决网卡的方法是使用udev-sanctified方法为每个网卡静态命名。创建文件/etc/udev/rules.d/10-network.rules然后将不同的网卡通过MAC地址绑定到不同的名字上：

SUBSYSTEM=="net", ATTR{address}=="aa:bb:cc:dd:ee:ff", NAME="lan0"
SUBSYSTEM=="net", ATTR{address}=="ff:ee:dd:cc:bb:aa", NAME="wlan0"

同时，您需要注意以下内容:

• 您可以通过下面的命令获得网卡的MAC地址:: udevadm info -a -p /sys/class/net/<你的网卡>
• 注意在udev规则文件中使用小写的16进制MAC地址，因为udev无法识别大写的MAC地址。
• 一些用户在使用旧的命名方式时出现问题，例如: eth0, eth1, 等等. 如果出现这个问题，试试使用 "lan"或者"wlan"之类的名字.

注意不要忘记修改其它使用ethX命名的配置文件。

自己编译内核造成的问题

Udev无法启动

请确定您的内核版本大于或等于2.6.32。较早的内核没有udev自动装载所需要的 uevent 功能。

Running HAL

Some programs still require HAL (like Flash DRM content). Hal can be installed from hal and hal-info.

Using Systemd: one can start and stop the hal service using the following systemd commands:

Start HAL: # systemctl start hal.service

Stop HAL: # systemctl stop hal.service

Alternatively, one can use the following script:

#!/bin/bash

## written by Mark Lee <bluerider>
## using information from <https://wiki.archlinux.org/index.php/Chromium#Google_Play_.26_Flash>

## Start and stop Hal service on command for Google Play Movie service

function main () {  ## run the main insertion function
     clear-cache;  ## remove adobe cache
     start-hal;  ## start the hal daemon
     read -p "Press 'enter' to stop hal";  ## pause the command line with a read line
     stop-hal;  ## stop the hal daemon
}

function clear-cache () {  ## remove adobe cache
     cd ~/.adobe/Flash_Player;  ## go to Flash player user directory
     rm -rf NativeCache AssetCache APSPrivateData2;  ## remove cache
}

function start-hal () {  ## start the hal daemon
     sudo systemctl start hal.service && ( ## systemd : start hal daemon
          echo "Started hal service..."
) || (
          echo "Failed to start hal service!") 
}

function stop-hal () {  ## stop the hal daemon
sudo systemctl stop hal.service && (  ## systemd : stop hal daemon
          echo "Stopped hal service..."
     ) || (
          echo "Failed to stop hal service!"
     )
}

main;  ## run the main insertion function