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linux内核sysfs详解【转】

简介:
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转自:http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/11783847

"sysfs is a ram-based filesystem initially based on ramfs. It provides a means
to export kernel data structures, their attributes, and the linkages between them to
userspace.” --- documentation/filesystems/sysfs.txt
可 以先把documentation/filesystems/sysfs.txt读一遍。文档这种东西,真正读起来就嫌少了。Sysfs文件系统是一个类 似于proc文件系统的特殊文件系统,用于将系统中的设备组织成层次结构,并向用户模式程序提供详细的内核数据结构信息。


去/sys看一看,
localhost:/sys#ls /sys/
block/ bus/ class/ devices/ firmware/ kernel/ module/ power/
Block目录:包含所有的块设备
Devices目录:包含系统所有的设备,并根据设备挂接的总线类型组织成层次结构
Bus目录:包含系统中所有的总线类型
Drivers目录:包括内核中所有已注册的设备驱动程序
Class目录:系统中的设备类型(如网卡设备,声卡设备等) 

sys下面的目录和文件反映了整台机器的系统状况。比如bus,
localhost:/sys/bus#ls
i2c/ ide/ pci/ pci express/ platform/ pnp/ scsi/ serio/ usb/
里面就包含了系统用到的一系列总线,比如pci, ide, scsi, usb等等。比如你可以在usb文件夹中发现你使用的U盘,USB鼠标的信息。

我们要讨论一个文件系统,首先要知道这个文件系统的信息来源在哪里。所谓信息来源是指文件组织存放的地点。比如,我们挂载一个分区,

mount -t vfat /dev/hda2 /mnt/C

我们就知道挂载在/mnt/C下的是一个vfat类型的文件系统,它的信息来源是在第一块硬盘的第2个分区。

但是,你可能根本没有去关心过sysfs的挂载过程,她是这样被挂载的。

mount -t sysfs sysfs /sys

ms看不出她的信息来源在哪。sysfs是一个特殊文件系统,并没有一个实际存放文件的介质。断电后就玩完了。简而言之,sysfs的信息来源是kobject层次结构,读一个sysfs文件,就是动态的从kobject结构提取信息,生成文件。

所以,首先,我要先讲一讲sysfs文件系统的信息来源 -- kobject层次结构。kobject层次结构就是linux的设备模型。

莫愁前路无知己,天下谁人不识君。 唐·高适· 别董大

 

关于linux设备模型网上有一些论述,有些东西我就用了拿来主义,进行了修改和整理。

§1 Kobject 
Kobject 是Linux 2.6引入的新的设备管理机制,在内核中由struct kobject表示。通过这个数据结构使所有设备在底层都具有统一的接口,kobject提供基本的对象管理,是构成Linux2.6设备模型的核心结 构,它与sysfs文件系统紧密关联,每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件系统中的一个目录。Kobject是组成设备模型的基 本结构。类似于C++中的基类,它嵌入于更大的对象的对象中--所谓的容器--用来描述设备模型的组件。如bus,devices, drivers 都是典型的容器。这些容器就是通过kobject连接起来了,形成了一个树状结构。这个树状结构就与/sys向对应。
kobject 结构为一些大的数据结构和子系统提供了基本的对象管理,避免了类似机能的重复实现。这些机能包括
- 对象引用计数.
- 维护对象链表(集合).
- 对象上锁.
- 在用户空间的表示.

Kobject结构定义为:
struct kobject {
char * k name; 指向设备名称的指针
char name[KOBJ NAME LEN]; 设备名称
struct kref kref; 对象引用计数
struct list head entry; 挂接到所在kset中去的单元
struct kobject * parent; 指向父对象的指针
struct kset * kset; 所属kset的指针
struct kobj type * ktype; 指向其对象类型描述符的指针
struct dentry * dentry; sysfs文件系统中与该对象对应的文件节点路径指针
};
其 中的kref域表示该对象引用的计数,内核通过kref实现对象引用计数管理,内核提供两个函数kobject_get()、kobject_put() 分别用于增加和减少引用计数,当引用计数为0时,所有该对象使用的资源释放。Ktype 域是一个指向kobj type结构的指针,表示该对象的类型。

相关函数
void kobject_init(struct kobject * kobj);kobject初始化函数。
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...);设置指定kobject的名称。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);将kobj 对象的引用计数加1,同时返回该对象的指针。
void kobject_put(struct kobject * kobj); 将kobj对象的引用计数减1,如果引用计数降为0,则调用kobject release()释放该kobject对象。
int kobject_add(struct kobject * kobj);将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中,增加父目录各级kobject的引用计数,在其 parent指向的目录下创建文件节点,并启动该类型内核对象的hotplug函数。
int kobject_register(struct kobject * kobj);kobject注册函数。通过调用kobject init()初始化kobj,再调用kobject_add()完成该内核对象的注册。
void kobject_del(struct kobject * kobj);从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象。
void kobject_unregister(struct kobject * kobj);kobject注销函数。与kobject register()相反,它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象,再调用kobject put()减少该对象的引用计数,如果引用计数降为0,则释放kobject对象。


§2 Kobj type 
struct kobj_type {
void (*release)(struct kobject *);
struct sysfs_ops * sysfs_ops;
struct attribute ** default_attrs;
};
Kobj type数据结构包含三个域:一个release方法用于释放kobject占用的资源;一个sysfs ops指针指向sysfs操作表和一个sysfs文件系统缺省属性列表。Sysfs操作表包括两个函数store()和show()。当用户态读取属性 时,show()函数被调用,该函数编码指定属性值存入buffer中返回给用户态;而store()函数用于存储用户态传入的属性值。
attribute
struct attribute {
char * name;
struct module * owner;
mode_t mode;
};
attribute, 属性。它以文件的形式输出到sysfs的目录当中。在kobject对应的目录下面。文件
名就是name。文件读写的方法对应于kobj type中的sysfs ops。


§3. kset 
kset最重要的是建立上层(sub-system)和下层的 (kobject)的关联性。kobject 也会利用它了分辨自已是属于那一個类型,然後在/sys 下建立正确的目录位置。而kset 的优先权比较高,kobject会利用自已的*kset 找到自已所属的kset,並把*ktype 指定成該kset下的ktype,除非沒有定义kset,才会用ktype來建立关系。Kobject通过kset组织成层次化的结构,kset是具有相 同类型的kobject的集合,在内核中用kset数据结构表示,定义为:
struct kset {
struct subsystem * subsys; 所在的subsystem的指针
struct kobj type * ktype; 指向该kset对象类型描述符的指针
struct list head list; 用于连接该kset中所有kobject的链表头
struct kobject kobj; 嵌入的kobject
struct kset hotplug ops * hotplug ops; 指向热插拔操作表的指针
};
包 含在kset中的所有kobject被组织成一个双向循环链表,list域正是该链表的头。Ktype域指向一个kobj type结构,被该kset中的所有kobject共享,表示这些对象的类型。Kset数据结构还内嵌了一个kobject对象(由kobj域表示),所 有属于这个kset 的kobject对象的parent域均指向这个内嵌的对象。此外,kset还依赖于kobj维护引用计数:kset的引用计数实际上就是内嵌的 kobject对象的引用计数。
见图1,kset与kobject的关系图

这幅图很经典,她反映了整个kobject的连接情况。

相关函数
与kobject 相似,kset_init()完成指定kset的初始化,kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。 Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除;kset_register()函数完成 kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。

§4 subsystem 
如果說kset 是管理kobject 的集合,同理,subsystem 就是管理kset 的集合。它描述系统中某一类设备子系统,如block subsys表示所有的块设备,对应于sysfs文件系统中的block目录。类似的,devices subsys对应于sysfs中的devices目录,描述系统中所有的设备。Subsystem由struct subsystem数据结构描述,定义为:
struct subsystem {
struct kset kset; 内嵌的kset对象
struct rw semaphore rwsem; 互斥访问信号量
};

可以看出,subsystem与kset的区别就是多了一个信号量,所以在后来的代码中,subsystem已经完全被kset取缔了。

每个kset属于某个subsystem,通过设置kset结构中的subsys域指向指定的subsystem可以将一个kset加入到该subsystem。所有挂接到同一subsystem的kset共享同一个rwsem信号量,用于同步访问kset中的链表。
相关函数
subsystem有一组类似的函数,分别是:
void subsystem_init(struct subsystem *subsys);
int subsystem_register(struct subsystem *subsys);
void subsystem_unregister(struct subsystem *subsys);
struct subsystem *subsys_get(struct subsystem *subsys)
void subsys_put(struct subsystem *subsys);

关于那些函数的用法,会在后面的举例中详细讲。这里仅仅是一个介绍。

§1 bus 
系统中总线由struct bus_type描述,定义为:
struct bus_type {
char * name; 总线类型的名称
struct subsystem subsys; 与该总线相关的subsystem
struct kset drivers; 所有与该总线相关的驱动程序集合
struct kset devices; 所有挂接在该总线上的设备集合
struct bus attribute * bus_attrs; 总线属性
struct device attribute * dev_attrs; 设备属性
struct driver attribute * drv_attrs; 驱动程序属性
int (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);
int (*hotplug) (struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
int (*suspend)(struct device * dev, u32 state);
int (*resume)(struct device * dev);
};
每 个bus_type对象都内嵌一个subsystem对象,bus_subsys对象管理系统中所有总线类型的subsystem对象。每个 bus_type对象都对应/sys/bus目录下的一个子目录,如PCI总线类型对应于/sys/bus/pci。在每个这样的目录下都存在两个子目 录:devices和drivers(分别对应于bus type结构中的devices和drivers域)。其中devices子目录描述连接在该总线上的所有设备,而drivers目录则描述与该总线关联 的所有驱动程序。与device_driver对象类似,bus_type结构还包含几个函数(match()、hotplug()等)处理相应的热插 拔、即插即拔和电源管理事件。

 


§2 device 
系统中的任一设备在设备模型中都由一个device对象描述,其对应的数据结构struct device
定义为:
struct device {
struct list_head g_list;
struct list_head node;
struct list_head bus_list;
struct list_head driver_list;
struct list_head children;
struct device *parent;
struct kobject kobj;
char bus_id[BUS_ID_SIZE];
struct bus_type *bus;
struct device_driver *driver;
void *driver_data;
/* Several fields omitted */
};
g_list 将该device对象挂接到全局设备链表中,所有的device对象都包含在devices subsys中,并组织成层次结构。Node域将该对象挂接到其兄弟对象的链表中,而bus list则用于将连接到相同总线上的设备组织成链表,driver list则将同一驱动程序管理的所有设备组织为链表。此外,children域指向该device对象子对象链表头,parent域则指向父对象。 Device对象还内嵌一个kobject对象,用于引用计数管理并通过它实现设备层次结构。Driver域指向管理该设备的驱动程序对象,而 driver data则是提供给驱动程序的数据。Bus域描述设备所连接的
总线类型。


内核提供了相应的函数用于操作device对象。其中device_register()函数将一个新的device对象插入设备模型,并 自动在/sys/devices下创建一个对应的目录。device_unregister()完成相反的操作,注销设备对象。get_device() 和put_device()分别增加与减少设备对象的引用计数。通常device结构不单独使用,而是包含在更大的结构中作为一个子结构使用,比如描述 PCI设备的struct pci_dev,还有我们ldd_dev,其中的dev域就是一个device对象。


§3. driver 
系统中的每个驱动程序由一个device_driver对象描述,对应的数据结构定义为:
struct device_driver {
char *name; 设备驱动程序的名称
struct bus_type *bus; 该驱动所管理的设备挂接的总线类型
struct kobject kobj; 内嵌kobject对象
struct list_head devices; 该驱动所管理的设备链表头
int (*probe)(struct device *dev); 指向设备探测函数,用于探测设备是否可以被该驱动程序管理
int (*remove)(struct device *dev); 用于删除设备的函数
/* some fields omitted*/
};
与device 结构类似,device_driver对象依靠内嵌的kobject对象实现引用计数管理和层次结构组织。内核提供类似的函数用于操作 device_driver对象,如get_driver()增加引用计数,driver_register()用于向设备模型插入新的driver对 象,同时在sysfs文件系统中创建对应的目录。device_driver()结构还包括几个函数,用于处理热拔插、即插即用和电源管理事件。 

可能你面对刚刚列举出来的一些列数据结构,感到很苦恼,很莫名其妙。没关系,我接下来讲个例子您就明白了。

 

对了,你得把ldd3的examples代码下下来。不然没法继续了。

接下来我们从例子着手,
localhost:/home/XX/examples/lddbus#insmod lddbus.ko
此时再看/sys/bus/ 这时就多了一个文件夹ldd。里面的文件构成是这样的
/sys/bus/ldd/
|--device
|--driver
`--version
localhost:/sys/bus/ldd#cat version
Revision:1.9Revision:1.9

这表示系统中多了一种名叫ldd的总线类型。同时再看/sys/device/,也多出来一个ldd0的文件夹。这表示系统中多了一个名叫ldd0的硬件。
在lddbus.c中, 定义了一个总线和硬件类型 
struct bus_type ldd_bus_type = {
        .name = "ldd",
        .match = ldd_match,
        .hotplug  = ldd_hotplug,
};

struct device ldd_bus = {
        .bus_id   = "ldd0",
        .release  = ldd_bus_release
};

lddbus模块初始化时调用这个函数

static int __init ldd_bus_init(void)
{
        int ret;

        ret = bus_register(&ldd_bus_type);
        if (ret)
                return ret;
        if (bus_create_file(&ldd_bus_type, &bus_attr_version))
                printk(KERN_NOTICE "Unable to create version attribute/n");
        ret = device_register(&ldd_bus);
        if (ret)
                printk(KERN_NOTICE "Unable to register ldd0/n");
        return ret;
}

其实就是调用了两个注册函数,bus_register(), device_register()。bus_create_file()是在sysfs下创建一个文件夹。

bus_register(),向系统注册ldd_bus_type这个总线类型。bus_create_file()这个就是向sysfs中创建一个文件。device_register()系统注册ldd_bus这个硬件类型。
注册好了之后,我们就可以在sysfs下看到相应的信息。

我们深入下去,仔细看看bus_register的代码。
    688 int bus_register(struct bus_type * bus)
    689 {
    690         int retval;
    691 
    692         retval = kobject_set_name(&bus->subsys.kset.kobj, "%s", bus->name);
    693         if (retval)
    694                 goto out;
    695 
    696         subsys_set_kset(bus, bus_subsys);
    697         retval = subsystem_register(&bus->subsys);
    698         if (retval)
    699                 goto out;
    700 
    701         kobject_set_name(&bus->devices.kobj, "devices");
    702         bus->devices.subsys = &bus->subsys;
    703         retval = kset_register(&bus->devices);
    704         if (retval)
    705                 goto bus_devices_fail;
    706 
    707         kobject_set_name(&bus->drivers.kobj, "drivers");
    708         bus->drivers.subsys = &bus->subsys;
    709         bus->drivers.ktype = &ktype_driver;
    710         retval = kset_register(&bus->drivers);
    711         if (retval)
    712                 goto bus_drivers_fail;
    713         bus_add_attrs(bus);
    714 
    715         pr_debug("bus type '%s' registered/n", bus->name);
    716         return 0;
    717 
    718 bus_drivers_fail:
    719         kset_unregister(&bus->devices);
    720 bus_devices_fail:
    721         subsystem_unregister(&bus->subsys);
    722 out:
    723         return retval;
    724 }
692-700是对bus->subsys的操作。701-705是操作bus->devices。706-710是操作bus->drivers。
692 kobject_set_name()设置bus->subsys.kset.kobj的名字。此函数很简单,就是调用vsnprintf()。此不列出。

696 subsys_set_kset(bus, bus subsys)

#define subsys_set_kset(obj,_subsys)  (obj)->subsys.kset.kobj.kset = &(_subsys).kset

我 们先看看bus_subsys的定义,它是一个subsystem类型的全局变量。在driver/base/bus.c中,decl subsys(bus, &ktype bus, NULL); 在/include/linux/kobject.h中有,decl subsys的原型,
#define decl_subsys(_name,_type,_hotplug_ops) /
struct subsystem _name##_subsys = { /
.kset = { /
.kobj = { .name = __stringify(_name) }, /
.ktype = _type, /
.hotplug_ops =_hotplug_ops, /
} /
}
就相当于
struct subsystem bus_subsys = { /
.kset = { /
.kobj = { .name = “bus” }, /
.ktype = ktype_bus, /
.hotplug_ops =NULL, /
} /
}
其中ktype bus定义如下,
static struct kobj_type ktype_bus = {
.sysfs_ops = &bus_sysfs_ops,
};

697 subsystem_register(&bus->subsys)作用是向全局的bus_subsys”登记”, 把自己加入到bus_subsys的链表中去。
subsystem_register() -> kset_add() -> kobject_add()
    155 int kobject_add(struct kobject * kobj)
    156 {
    157         int error = 0;
    158         struct kobject * parent;
    159 
    160         if (!(kobj = kobject_get(kobj)))
    161                 return -ENOENT;
    162         if (!kobj->k_name)
    163                 kobj->k_name = kobj->name;
    164         parent = kobject_get(kobj->parent);
    165 
    166         pr_debug("kobject %s: registering. parent: %s, set: %s/n",
    167                  kobject_name(kobj), parent ? kobject_name(parent) : "<NULL>",
    168                  kobj->kset ? kobj->kset->kobj.name : "<NULL>" );
    169 
    170         if (kobj->kset) {
    171                 down_write(&kobj->kset->subsys->rwsem);
    172 
    173                 if (!parent)
    174                         parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);
    175 
    176                 list_add_tail(&kobj->entry,&kobj->kset->list);
    177                 up_write(&kobj->kset->subsys->rwsem);
    178         }
    179         kobj->parent = parent;
    180 
    181         error = create_dir(kobj);
    182         if (error) {
    183                 /* unlink does the kobject_put() for us */
    184                 unlink(kobj);
    185                 if (parent)
    186                         kobject_put(parent);
    187         } else {
    188                 kobject_hotplug(kobj, KOBJ_ADD);
    189         }
    190 
    191         return error;
    192 }

代码的170-178就是把自己连入到父辈上级kset中。我们注意到在kobject_add()函数中181行调用了create_dir(kobj),这个函数作用是在sysfs下创建一个文件夹。可见kobject和sysfs是同时更新的。

kset_register(&bus->devices) 和kset_register(&bus->drivers)作用类似,把bus->devices这个kset加入到 bus->subsys这个subsystem中去。最后形成图1的层次结构。

图1:lddbus kobject层次结构

同理,我们可以看看device_register()的代码,它也是向devices_subsys这个subsystem注册,最后形成这样的结构与图1类似。

目前为止,我们知道了所谓的xx_register函数,就是通过其内嵌的kobject链入对应的subsystem,或是kset的层次结构中去。这样就可以通过一些全局的变量找到它们了。

 

不妨再把sculld的代码也分析一下,先看初始函数
sculld_init()
             -> register_ldd_driver()
                         ->driver_register()
                                            ->bus_add_driver()
             -> register_ldd_device()
                         ->device_register()
                                           ->device_add() 
                                                             ->kobject_add()
                                                             ->bus_add_device()

首先注册驱动,看bus_add_driver()
    532 int bus_add_driver(struct device_driver * drv)
    533 {
    534         struct bus_type * bus = get_bus(drv->bus);
    535         int error = 0;
    536 
    537         if (bus) {
    538                 pr_debug("bus %s: add driver %s/n", bus->name, drv->name);
    539                 error = kobject_set_name(&drv->kobj, "%s", drv->name);
    540                 if (error) {
    541                         put_bus(bus);
    542                         return error;
    543                 }
    544                 drv->kobj.kset = &bus->drivers;
    545                 if ((error = kobject_register(&drv->kobj))) {
    546                         put_bus(bus);
    547                         return error;
    548                 }
    549 
    550                 down_write(&bus->subsys.rwsem);
    551                 driver_attach(drv);
    552                 up_write(&bus->subsys.rwsem);
    553                 module_add_driver(drv->owner, drv);
    554 
    555                 driver_add_attrs(bus, drv);
    556         }
    557         return error;
    558 }
    559 

545行kobject_register()与kobject_add()差不多,进行注册,把自己kobject链接到内核中去。
551,driver_attach(drv); 在总线中寻找,有没有设备可以让这个driver驱动。

    353 void driver_attach(struct device_driver * drv)
    354 {
    355         struct bus_type * bus = drv->bus;
    356         struct list_head * entry;
    357         int error;
    358 
    359         if (!bus->match)
    360                 return;
    361 
    362         list_for_each(entry, &bus->devices.list) {
    363                 struct device * dev = container_of(entry, struct device, bus_list);
    364                 if (!dev->driver) {
    365                         error = driver_probe_device(drv, dev);
    366                         if (error && (error != -ENODEV))
    367                                 /* driver matched but the probe failed */
    368                                 printk(KERN_WARNING
    369                                     "%s: probe of %s failed with error %d/n",
    370                                     drv->name, dev->bus_id, error);
    371                 }
    372         }
    373 }


然后注册设备,
    455 int bus_add_device(struct device * dev)
    456 {
    457         struct bus_type * bus = get_bus(dev->bus);
    458         int error = 0;
    459 
    460         if (bus) {
    461                 down_write(&dev->bus->subsys.rwsem);
    462                 pr_debug("bus %s: add device %s/n", bus->name, dev->bus_id);
    463                 list_add_tail(&dev->bus_list, &dev->bus->devices.list);
    464                     465                 up_write(&dev->bus->subsys.rwsem);
    466                 device_add_attrs(bus, dev);
    467                 sysfs_create_link(&bus->devices.kobj, &dev->kobj, dev->bus_id);
    468         }
    469         return error;
    470 }
463,把设备连入其总线的devices.list链表中。
464,device_attach(dev)与driver_attach()相对应,它在总线的驱动中寻找,看有没有一个driver能驱动这个设备。
467,创建了一个链接。

最后形成的kobject层次结构如图所示。 

变化 
计划赶不上变化,当前的内核版本已经是2.6.22了,其中不少数据结构作了变动,而且subsystem这个数据结构已经没有了,完全被kset取缔了。但是原理上并没有变,我认为,学习知识是一方面,更重要的是学习方法。只要懂了方法,我们才可"以不变应万变"。

17大马上要召开了,刘翔又夺冠了,奥尔默特与阿巴斯也会面了,明年就奥运了。和谐的社会里充满着希望与绝望。不管怎样,终于把设备模型介绍完毕,接下来进入sysfs部分。

人面不知何处去,桃花依旧笑春风。 唐·崔护·题都城南庄

 

 

接下来,我们进入sysfs部分。看看
kobject_add()->create_dir()->sysfs_create_dir()
bus create file->sysfs create file()
. . .
这些sysfs函数的内幕。
说白了,sysfs就是利用VFS的接口去读写kobject的层次结构,建立起来的文件系统。关于sysfs的内容就在fs/sysfs/下。 kobject的层次结构的更新与删除就是那些乱七八糟的XX_register()们干的事情。

在kobject_add()里面,调用了sysfs_create_dir()。让我们看看它究竟是如何create的。

    135 int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
    136 {
    137         struct dentry * dentry = NULL;
    138         struct dentry * parent;
    139         int error = 0;
    140 
    141         BUG_ON(!kobj);
    142 
    143         if (kobj->parent)
    144                 parent = kobj->parent->dentry;
    145         else if (sysfs_mount && sysfs_mount->mnt_sb)
    146                 parent = sysfs_mount->mnt_sb->s_root;
    147         else
    148                 return -EFAULT;
    149 
    150         error = create_dir(kobj,parent,kobject_name(kobj),&dentry);
    151         if (!error)
    152                 kobj->dentry = dentry;
    153         return error;
    154 }

当你看见这么些新东西,如dentry出现的时候,你一定感到很困惑。诚然,我一度为代码中突然出现的事物感到恐慌,人类对未知的恐惧是与生俱来 的,面对死亡,面对怪力乱神,我们抱着一颗敬畏的心灵就可以了。而面对linux,我们始终坚信,未知肯定是可以被探索出来的。妖是妖他妈生的,代码是人 他妈写出来的,既然写得出来,那就肯定看得懂。对不起,扯远了....我还是介绍介绍文件系统的基本知识先。

文件系统

文件系统是个很模糊广泛的概念,"文件"狭义地说,是指磁盘文件,广义理解,可以是有组织有次序地存储与任何介质(包括内存)的一组信息。 linux把所有的资源都看成是文件,让用户通过一个统一的文件系统操作界面,也就是同一组系统调用,对属于不同文件系统的文件进行操作。这样,就可以对 用户程序隐藏各种不同文件系统的实现细节,为用户程序提供了一个统一的,抽象的,虚拟的文件系统界面,这就是所谓"VFS(Virtual Filesystem Switch)"。这个抽象出来的接口就是一组函数操作。

我们要实现一种文件系统就是要实现VFS所定义的一系列 接口,file_operations, dentry_operations, inode_operations等,供上层调用。file_operations是对每个具体文件的读写操作,dentry_operations, inode_operations则是对文件的属性,如改名字,建立或删除的操作。

struct file_operations {
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
...
};
struct dentry_operations {
...
};
struct inode_operations {
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
...}

举个例子,我们写C程序,open(“hello.c”, O_RDONLY),它通过系统调用的流程是这样的

open() ->       /*用户空间*/
-> 系统调用->
sys_open() -> filp_open()-> dentry_open() ->  file_operations->open()           /*内核空间*/

不同的文件系统,调用不同的file_operations->open(),在sysfs下就是sysfs_open_file()。

 

 

我们在进程中要怎样去描述一个文件呢?我们用目录项(dentry)和索引节点(inode)。它们的定义如下:

struct dentry {
struct inode                                *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is
struct dentry                                *d_parent; /* parent directory */
struct list_head                          d_child; /* child of parent list */
struct dentry_operations          *d_op;
struct super_block                     *d_sb; /* The root of the dentry tree */
void                                     *d_fsdata; /* fs-specific data */
unsigned char                  d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* small names */
......
};
struct inode {
unsigned long                     i_ino;
atomic_t                               i_count;
umode_t                               i_mode;
unsigned int                        i_nlink;
uid_t                                      i_uid;
gid_t                                      i_gid;
dev_t                                     i_rdev;
loff_t                                      i_size;
struct timespec                   i_atime;
unsigned long                     i_blocks;
unsigned short                    i_bytes;
unsigned char                      _sock;
12
struct inode_operations *i_op;
struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
struct super_block *i_sb;
......
}; 

        所谓"文件", 就是按一定的形式存储在介质上的信息,所以一个文件其实包含了两方面的信息,一是存储的数据本身,二是有关该文件的组织和管理的信息。在内存中, 每个文件都有一个dentry(目录项)和inode(索引节点)结构,dentry记录着文件名,上级目录等信息,正是它形成了我们所看到的树状结构; 而有关该文件的组织和管理的信息主要存放inode里面,它记录着文件在存储介质上的位置与分布。同时dentry->d_inode指向相应的 inode结构。dentry与inode是多对一的关系,因为有可能一个文件有好几个文件名(硬链接, hard link, 可以参考这个网页 http://www.ugrad.cs.ubc.ca/~cs219/CourseNotes/Unix/commands-links.html )。

所有的dentry用d_parent和d_child连接起来,就形成了我们熟悉的树状结构。

inode代表的是物理意义上的文件,通过inode可以得到一个数组,这个数组记录了文件内容的位置,如该文件位于硬盘的第3,8,10块,那么 这个数组的内容就是3,8,10。其索引节点号inode->i_ino,在同一个文件系统中是唯一的,内核只要根据i_ino,就可以计算出它对 应的inode在介质上的位置。就硬盘来说,根据i_ino就可以计算出它对应的inode属于哪个块(block),从而找到相应的inode结构。但 仅仅用inode还是无法描述出所有的文件系统,对于某一种特定的文件系统而言,比如ext3,在内存中用ext3_inode_info描述。他是一个 包含inode的"容器"。

struct ext3_inode_info {
               __le32 i_data[15];
               ......
               struct inode vfs_inode;
};

le32 i data[15]这个数组就是上一段中所提到的那个数组。

注意,在遥远的2.4的古代,不同文件系统索引节点的内存映像 (ext3_inode_info,reiserfs_inode_info,msdos_inode_info ...)都是用一个union内嵌在inode数据结构中的. 但inode作为一种非常基本的数据结构而言,这样搞太大了,不利于快速的分配和回收。但是后来发明了container_of(...)这种方法后,就 把union移到了外部,我们可以用类似container of(inode, struct ext3_inode_info, vfs_inode),从inode出发,得到其的"容器"。

dentry和inode终究都是在内存中的,它们的原始信息必须要有一个载体。否则断电之后岂不是玩完了?且听我慢慢道来。

文件可以分为磁盘文件,设备文件,和特殊文件三种。设备文件暂且不表。

磁盘文件 
就磁盘文件而言,dentry和inode的载体在存储介质(磁盘)上。对于像ext3这样的磁盘文件来说,存储介质中的目录项和索引节点载体如下,
struct ext3_inode {
__le16 i_mode; /* File mode */
__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */
__le32 i_size; /* Size in bytes */
__le32 i_atime; /* Access time */
__le32 i_ctime; /* Creation time */
__le32 i_mtime; /* Modification time */

__le32 i_dtime; /* Deletion Time */
__le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */
__le16 i_links_count; /* Links count */
......
__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
......
}
struct ext3_dir_entry_2 {
__u32 inode; /* Inode number */
__u16 rec_len; /* Directory entry length */
__u8 name_len; /* Name length */
__u8 file_type;
char name[EXT3_NAME_LEN]; /* File name */
};

le32 i block[EXT2 N BLOCKS];/* Pointers to blocks */
i_block数组指示了文件的内容所存放的地点(在硬盘上的位置)。

ext3_inode是放在索引节点区,而ext3_dir_entry_2是以文件内容的形式存放在数据区。我们只要知道了ino,由于 ext3_inode大小已知,我们就可以计算出ext3_inode在索引节点区的位置( ino * sizeof(ext3_inode) ),而得到了ext3_inode,我们根据i_block就可以知道这个文件的数据存放的地点。将磁盘上ext3_inode的内容读入到 ext3_inode_info中的函数是ext3_read_inode()。以一个有100 block的硬盘为例,一个文件系统的组织布局大致如下图。位图区中的每一位表示每一个相应的对象有没有被使用。

特殊文件 
特殊文件在内存中有inode和dentry数据结构,但是不一定在存储介质上有"索引节 点",它断电之后的确就玩完了,所以不需要什么载体。当从一个特殊文件读时,所读出的数据是由系统内部按一定的规则临时生成的,或从内存中收集,加工出来 的。sysfs里面就是典型的特殊文件。它存储的信息都是由系统动态的生成的,它动态的包含了整个机器的硬件资源情况。从sysfs读写就相当于向 kobject层次结构提取数据。

还请注意, 我们谈到目录项和索引节点时,有两种含义。一种是在存储介质(硬盘)中的(如ext3_inode),一种是在内存中的,后者是根据在前者生成的。内存中 的表示就是dentry和inode,它是VFS中的一层,不管什么样的文件系统,最后在内存中描述它的都是dentry和inode结构。我们使用不同 的文件系统,就是将它们各自的文件信息都抽象到dentry和inode中去。这样对于高层来说,我们就可以不关心底层的实现,我们使用的都是一系列标准 的函数调用。这就是VFS的精髓,实际上就是面向对象。

我们在进程中打开一个文件F,实际上就是要在内存中建立F的dentry,和inode结构,并让它们与进程结构联系来,把VFS中定义的接口给接起来。我们来看一看这个经典的图。这张图之于文件系统,就像每天爱你多一些之于张学友,番茄炒蛋之于复旦南区食堂,刻骨铭心。

 

 

 

前面说过,只要知道文件的索引节点号,就可以得到那个文件。但是我们在操作文件时,从没听说谁会拿着索引节点号来操作文件,我们只知道文件名而已。 它们是如何"和谐"起来的呢?linux把目录也看成一种文件,里面记录着文件名与索引节点号的对应关系。比如在ext3文件系统中,如果文件是一个目 录,那么它的内容就是一系列ext3_dir_entry_2的结构


struct ext3_dir_entry_2 {
__u32 inode; /* Inode number */
__u16 rec_len; /* Directory entry length */
__u8 name_len; /* Name length */
__u8 file_type;
char name[EXT3_NAME_LEN]; /* File name */
};


举个例子,比如要打开/home/test/hello.c。首先,找到‘/’,读入其内容,找到名为"home"的文件的索引节点号,打 开/home这个"文件",读入内容,找到名为 "test" 的的文件的索引节点号,同理,再打开文件"/home/test",找到找到名为"hello.c”的文件的索引节点号,最后就得到 /home/test/hello.c了。这就是path_walk()函数的原理。

其中,根据一个文件夹的inode,和一个文件名来获取该文件的inode结构的函数,就叫lookup,它是inode_operations里面的函数。
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
lookup, 顾名思义,就是查找,比如查查在test这个文件夹下,有没有叫hello.c的文件,有的话,就从存储介质中读取其inode结构。并用 dentry->d_inode指向它。所以,我们只要知道了文件的路径和名字,总可以从根目录开始,一层一层的往下走,定位到某一个文件。 

superblock与vfsmount

接下来还要介绍两个数据结构,superblock和vfsmount。super_block结构是从所有具体的文件系统所抽象出来的一个结构, 每一个文件系统实例都会有一对应super_block结构。比如每一个ext2的分区就有一个super_block结构,它记录了该文件系统实例(分 区)的某些描述性的信息,比如该文件系统实例的文件系统类型,有多大,磁盘上每一块的大小, 还有就是super_operations。它与inode,dentry一样,只是某些内容在内存中的映像。就ext2文件系统而言,设备上的超级块为 ext2_super_block。由于sysfs是虚拟的文件系统,独一无二, 并且只能被mount一次,sysfs的super_block结构是sysfs_sb。sysfs_sb也是动态的从内存中生成的。


还有要提一下super_operations,它也算是VFS的一个接口。实现一个文件系统file_operations, dentry_operations, inode_operations, super_operations这四个结构都要实现。

把一个设备安装到一个目录节点时要用一个vfsmount的作为连接件。vfsmount结构定义如下:

struct vfsmount {
              struct list_head mnt_hash;
              struct vfsmount *mnt_parent; /* fs we are mounted on */
              struct dentry *mnt_mountpoint; /* dentry of mountpoint */
              struct dentry *mnt_root; /* root of the mounted tree */
              struct super_block *mnt_sb; /* pointer to superblock */
              ..........
}

对于某个文件系统实例,内存中super_block和vfsmount都是唯一的。比如,我们将某个挂载硬盘分区mount -t vfat /dev/hda2 /mnt/d。实际上就是新建一个vfsmount结构作为连接件,vfsmount->mnt_sb = /dev/hda2的超级块结构;vfsmount->mntroot = /dev/hda2的"根"目录的dentry;vfsmount->mnt_mountpoint = /mnt/d的dentry; vfsmount->mnt_parent = /mnt/d所属的文件系统的vfsmount。并且把这个新建的vfsmount连入一个全局的hash表mount_hashtable中。

从而我们就可以从总根’/’开始,沿着dentry往下找。假如碰到一个某个目录的dentry是被mount了的,那么我们就从 mount_hashtable表中去寻找相应的vfsmount结构 (函数是lookup_mnt())。然后我们得到vfsmount ->mnt_root,就可以找到mount在该目录的文件系统的"根"dentry结构。然后又继续往下走,就可以畅通无阻了。

关于path_walk()的代码我就不贴了,太长了。其实懂了原理后再去看,很简单,跟看故事会差不多。我当年就是看完这个函数后,信心倍增阿。pathwalk,不管前面是高速公路,或是泥泞的乡间小路,我们都要走到底。

 

 

最近Linus炮轰C++,“C++是一种糟糕的(horrible)语言。而且因为有大量不够标准的程序员在使用而使许多真正懂得底层问题,而不会折腾那些白痴‘对象模型’”。牛人就是牛气冲天阿。

在fs/sysfs/下面,除去makefile,还有8个文件。其中, bin.c, file.c, dir.c, symblink.c分别代表了在sysfs文件系统中当文件类型为二进制文件,普通文件,目录,符号连接时的各自的file operations结构体的实现。inode.c则是inode oprations的实现,还有创建和删除inode。mount.c包括了sysfs的初始化函数。sysfs.h就是头文件,里面有函数的原形,并将 其extern出去。 

sysfs的文件系统的所读写的信息是存放在kobject当中,那么dentry是如何与kobject联系起来的呢?是通过sysfs_dirent。

sysfs_dirent

sysfs文件系统有自己的dirent结构,dirent = directory entry (目录实体)。sysfs中,每一个dentry对应了一个dirent结构,dentry->d _fsdata是一个void的指针,它指向sysfs_dirent结构。

struct sysfs_dirent {
            atomic_t               s_count;
            struct list_head  s_sibling;
            struct list_head  s_children;
            void *                    s_element;
            int                          s_type;
            umode_t             s_mode;
            struct dentry *     s_dentry;
            struct iattr *         s_iattr;
            atomic_t              s_event;
};

s_count是引用计数,s_sibling,s_children指针是这些sysfs_dirent 连成一个树状结构。s_type则说明了这个dirent具体的类型:
#define SYSFS_ROOT 0x0001
#define SYSFS_DIR 0x0002
#define SYSFS_KOBJ_ATTR 0x0004
#define SYSFS_KOBJ_BIN_ATTR 0x0008
#define SYSFS_KOBJ_LINK 0x0020

s_element就是指向相应与s_type类型的数据结构。如DIR(就是kobject,一个kobject对应一个 DIR),KOBJ_ATTR(attribute属性,代表一个文件)。sysfs_dirent是kobject和sysfs联系的一个中间连接结 构。它通过s_sibling,s_children连接成一个层次结构。而且它的层次结构与sysfs完全一致的,它就是一个连接kobject和 dentry结构的连接件。

举个例子总结一下这些数据结构的连接关系。在sysfs中的文件结构如下
/sys/bus/ldd/
|--device
|--driver
`--version

它对应的dentry,dirent,kobject的连接图如图1,2,3

图1: dentry连接图
 
图2: dirent连接图
 
图3: kobject连接图

对比一下可以发现不同之处。向version这样用bus_create_file()创建的文件,或曰属性,只停留在sysfs_dirent这一层。


对于sysfs下的文件夹而言,denrty, dirent, kobject之间通过指针相互联系起来。
dentry->d_fsdata = &dirent;
dirent->element = &kobject;
kobject->dentry = &dentry;

 

 

每当我们新增一个kobject结构的时候,同时会在/sys下创建一个目录。

kobject_add()  ->  create_dir() -> sysfs_create_dir()

此时,我还想重申,kernel代码的更新换代是很快的,我们的目的是懂得代码背后的原理,知识,或曰哲学。我不想讲的太细,因为关于sysfs的 部分从2.6.10到现在2.6.22已经改了很多了。但其总体架构没变。写此文的目的是让您跟着我的思路走一遍,对sysfs有了一个总体上的认识。然 后自己就可以去看最新的代码了。最新的代码肯定是效率更高,条理逻辑更清晰。

sysfs_create_dir()流程图如下:
                     -> create_dir()
                                          -> *d = sysfs_get_dentry()
                                                               -> lookup_hash()
                                                                                    -> __lookup_hash()
                                                                                    -> cached_lookup()
                                                                                    -> new = d_alloc(base, name);
                                                                                    -> inode->i_op->lookup(inode, new, nd)
                                          -> sysfs_create(*d, mode, init_dir)
                                                               -> sysfs_new_inode(mode)
                                                               -> init_dir(inode); // Call back function
                                          -> sysfs_make_dirent()
                                                               -> sysfs_new_dirent()
                                                               -> dentry->d_fsdata = sysfs_get(sd);
                                                               -> dentry->d_op = &sysfs_dentry_ops;
                                          -> (*d)->d_op = &sysfs_dentry_ops;

    135 int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
    136 {
    137         struct dentry * dentry = NULL;
    138         struct dentry * parent;
    139         int error = 0;
    140 
    141         BUG_ON(!kobj);
    142 
    143         if (kobj->parent)
    144                 parent = kobj->parent->dentry;
    145         else if (sysfs_mount && sysfs_mount->mnt_sb)
    146                 parent = sysfs_mount->mnt_sb->s_root;
    147         else
    148                 return -EFAULT;
    149 
    150         error = create_dir(kobj,parent,kobject_name(kobj),&dentry);
    151         if (!error)
    152                 kobj->dentry = dentry;
    153         return error;
    154 }
143-148就是找到父辈的kobject,再调用create_dir();

     95 static int create_dir(struct kobject * k, struct dentry * p,
     96                       const char * n, struct dentry ** d)
     97 {
     98         int error;
     99         umode_t mode = S_IFDIR| S_IRWXU | S_IRUGO | S_IXUGO;
    100 
    101         down(&p->d_inode->i_sem);
    102         *d = sysfs_get_dentry(p,n);
    103         if (!IS_ERR(*d)) {
    104                 error = sysfs_create(*d, mode, init_dir);
    105                 if (!error) {
    106                         error = sysfs_make_dirent(p->d_fsdata, *d, k, mode,
    107                                                 SYSFS_DIR);
    108                         if (!error) {
    109                                 p->d_inode->i_nlink++;
    110                                 (*d)->d_op = &sysfs_dentry_ops;
    111                                 d_rehash(*d);
    112                         }
    113                 }
    114                 if (error && (error != -EEXIST))
    115                         d_drop(*d);
    116                 dput(*d);
    117         } else
    118                 error = PTR_ERR(*d);
    119         up(&p->d_inode->i_sem);
    120         return error;
    121 }
99行,设置‘文件’ 属性,101获取信号量。

(1)sysfs_get_dentry()
102行sysfs_get_dentry()。它的作用是根据父辈dentry和文件名得到 dentry结构。首先在缓存中找,如果找到就返回,找不到就用d_alloc()新建一个dentry结构。我们是新建文件夹,缓存中自然是没有的,所 以要用d_alloc()来新建一个。接着我们调用lookup函数,它定义如下。

struct inode_operations sysfs_dir_inode_operations = {
             .lookup = sysfs_lookup,
};

    204 static struct dentry * sysfs_lookup(struct inode *dir, struct dentry *dentry,
    205                                 struct nameidata *nd)
    206 {
    207         struct sysfs_dirent * parent_sd = dentry->d_parent->d_fsdata;
    208         struct sysfs_dirent * sd;
    209         int err = 0;
    210 
    211         list_for_each_entry(sd, &parent_sd->s_children, s_sibling) {
    212                 if (sd->s_type & SYSFS_NOT_PINNED) {
    213                         const unsigned char * name = sysfs_get_name(sd);
    214 
    215                         if (strcmp(name, dentry->d_name.name))
    216                                 continue;
    217 
    218                         if (sd->s_type & SYSFS_KOBJ_LINK)
    219                                 err = sysfs_attach_link(sd, dentry);
    220                         else
    221                                 err = sysfs_attach_attr(sd, dentry);
    222                         break;
    223                 }
    224         }
    225 
    226         return ERR_PTR(err);
    227 }

前 面讲过lookup函数的作用。它在inode代表的文件夹下查找有没有名为dentry.d name.name的文件。如果有,就将其对应的inode结构从信息的载体中读出来。由于是新建的文件夹,所以lookup函数在我们这个故事里根本没 做事。但是我还是忍不住想分析一下lookup函数。

sysfs文件系统中,文件夹的inode和dentry结构一直都是存在于内存中的,所以不用再进行读取了。而文件,链接的inode事先是没有的,需要从载体中读出。这就是212行这个判断的作用。可以看出,如果是文件夹,循环里面啥都没做。

#define SYSFS_NOT_PINNED /
(SYSFS_KOBJ_ATTR | SYSFS_KOBJ_BIN_ATTR | SYSFS_KOBJ_LINK)

但是sysfs的lookup还有它不同之处。其他文件系统像ext3格式中普通文件的inode,在文件创建之时就已经创建了。但是,sysfs 不一样,它在创建普通文件时,只是先创建一个sysfs_dirent结构。创建inode的工作是推迟到lookup函数来完成的。在下一节 sysfs_create_file()会看到这一点。

sysfs_attach_attr()和sysfs_attach_link()的作用就是根据dentry和sysfs_dirent新建一个inode。

总之,我们通过sysfs_get_dentry()得到了一个新建的dentry结构。

(2)sysfs_create()分析 (104行)
sysfs_create()->sysfs_new_inode(mode) -> new_inode(sysfs_sb)
创建一个新的索引节点inode。sysfs_sb是sysfs的超级块(super_block)结构。mode则是inode的属性,它记录了如下信息,比如,文件类型(是文件夹,链接,还是普通文件),inode的所有者,创建时间等等。

(3)sysfs make dirent()分析 (104行)
至此,我们得到了一个dirent结构,初始化,再把它连接到上层目录的sysfs_dirent的s_children链表里去。sysfs_make_dirent()为刚刚新建出来的dentry建立一个dirent结构。并将dentry和dirent联系起来。

(4)总结
在sysfs下创建一个目录,提供的函数是sysfs_create_dir()。创建了dentry, dirent, inode
结构, 它们之间的连接关系见图1

 

 

最近彭宇的案件炒得沸沸扬扬,究竟这个社会怎么了?

sysfs文件系统中,普通文件对应于kobject中的属性。用sysfs_create_file(),参数如下:

sysfs_create_file(struct kobject * kobj, const struct attribute * attr) 

传给它的参数是kobj和attr,其中,kobject对应的是文件夹,attribute对应的是该文件夹下的文件。

int sysfs_create_file(struct kobject * kobj, const struct attribute * attr)
{
                    BUG_ON(!kobj || !kobj->dentry || !attr);
                    return sysfs_add_file(kobj->dentry, attr, SYSFS_KOBJ_ATTR);
}
它直接调用sysfs_add_file()

int sysfs_add_file(struct dentry * dir, const struct attribute * attr, int type)
{
                    struct sysfs_dirent * parent_sd = dir->d_fsdata;
                    umode_t mode = (attr->mode & S_IALLUGO) | S_IFREG;
                    int error = 0;

                    down(&dir->d_inode->i_sem);
                    error = sysfs_make_dirent(parent_sd, NULL, (void *) attr, mode, type);
                    up(&dir->d_inode->i_sem); 
                    return error;
}

int sysfs_make_dirent(struct sysfs_dirent * parent_sd, struct dentry * dentry,
   void * element, umode_t mode, int type)
{
                  struct sysfs_dirent * sd;

                  sd = sysfs_new_dirent(parent_sd, element);
                  if (!sd)
                                    return -ENOMEM;

                  sd->s_mode = mode;
                  sd->s_type = type;
                  sd->s_dentry = dentry;
                  if (dentry) {
                                    dentry->d_fsdata = sysfs_get(sd);
                                    dentry->d_op = &sysfs_dentry_ops;
                  }

                  return 0;
}

sysfs_create_file()仅仅是调用了sysfs_make_dirent()创建了一个sysfs_dirent结构。与 sysfs_create_dir()不同,它甚至没有在sysfs文件系统下创建inode结构。这项工作被滞后了,在 sysfs_lookup()->sysfs_attach_attr()里面完成的。

 

上回我们说到,如何创建文件夹和文件。我们发现,在sysfs中,inode并不那么重要。这是因为我们所要读写的信息已经就在内存中,并且已经形 成了层次结构。我们只需有dentry,就可以dentry->fsdata,就能找到我们读些信息的来源 ---  sysfs_dirent结构。这也是我觉得有必要研究 sysfs的原因之一,因为它简单,而且不涉及具体的硬件驱动,但是从这个过程中,我们可以把文件系统中的一些基本数据结构搞清楚。接下来,我以读取 sysfs文件和文件夹的内容为例子,讲讲文件读的流程。那么关于写,还有关于symblink的东西完全可以以此类推了。

我们新建文件夹时,设置了
 inode->i_op = &sysfs_dir_inode_operations;
 inode->i_fop = &sysfs_dir_operations;

struct file_operations sysfs_dir_operations = {
        .open = sysfs_dir_open,
        .release = sysfs_dir_close,
        .llseek = sysfs_dir_lseek,
        .read = generic_read_dir,
        .readdir = sysfs_readdir,
};

用一个简短的程序来做实验。

 #include < sys / types.h > 
 #include < dirent.h > 
 #include < unistd.h > 
 int  main() {
               DIR  *  dir;
                struct  dirent  * ptr;
               dir  =  opendir( " /sys/bus/ " );
                while ((ptr  =  readdir(dir)) != NULL) {
                             printf( " d_name :%s " ,ptr -> d_name);
               } 
               closedir(dir);
                return   - 1 ;
 }

在用户空间,用gcc编译执行即可。我们来看看它究竟做了什么。

(1)sysfs_dir_open()

这是个用户空间的程序。opendir()是glibc的函数,glibc也就是著名的标准c库。至于opendir ()是如何与sysfs dir open ()接上头的,那还得去看glibc的代码。我就不想分析了...glibc可以从gnu的网站上自己下载源代码,编译。再用gdb调试,就可以看得跟清 楚。
函数流程如下:
opendir("/sys/bus/") -> /*用户空间*/
-> 系统调用->
sys_open() -> filp_open()-> dentry_open() -> sysfs_dir_open()/*内核空间*/

 static   int  sysfs_dir_open( struct  inode  * inode,  struct  file  * file)
 {
              struct  dentry  *  dentry  =  file -> f_dentry;
              struct  sysfs_dirent  *  parent_sd  =  dentry -> d_fsdata;
             down( & dentry -> d_inode -> i_sem);
             file -> private_data  =  sysfs_new_dirent(parent_sd, NULL);
             up( & dentry -> d_inode -> i_sem);
              return  file -> private_data  ?   0  :  - ENOMEM;
 }

内核空间:新建一个dirent结构,连入父辈的dentry中,并将它地址保存在file->private_data中。这个dirent的具体作用待会会讲。
用户空间:新建了一个DIR结构,DIR结构如下。

#define __dirstream DIR
struct __dirstream
{
             int fd; /* File descriptor. */
             char *data; /* Directory block. */
             size_t allocation; /* Space allocated for the block. */
             size_t size; /* Total valid data in the block. */
             size_t offset; /* Current offset into the block. */
             off_t filepos; /* Position of next entry to read. */
             __libc_lock_define (, lock) /* Mutex lock for this structure. */
};

(2)sysfs_readdir()

流程如下:


readdir(dir) -> getdents() ->/*用户空间*/
-> 系统调用->
sys32 readdir() -> vfs readdir() -> sysfs readdir()/*内核空间*/

readdir(dir)这个函数有点复杂,虽然在main函数里的while循环中,readdir被执行了多次,我们看看glibc里面的代码

 readdir(dir) {
                 ......
                  if  (dirp -> offset  >=  dirp -> size) {
                 ......
                 getdents()
                 ......
                 } 
 ......
 }

实际上,getdents() -> ... -> sysfs_readdir()只被调用了两次,getdents()一次就把所有的内容都读完,存在DIR结构当中,readdir()只是从DIR结 构当中每次取出一个。DIR(dirstream)结构就是一个流。而回调函数filldir的作用就是往这个流中填充数据。第二次调用 getdents()是用户把DIR里面的内容读完了,所以它又调用getdents()但是这次getdents()回返回NULL。

 static   int  sysfs_readdir( struct  file  *  filp,  void   *  dirent, filldir_t filldir)
 {
               struct  dentry  * dentry  =  filp -> f_dentry;
               struct  sysfs_dirent  *  parent_sd  =  dentry -> d_fsdata;
               struct  sysfs_dirent  * cursor  =  filp -> private_data;
               struct  list_head  * p,  * q  =   & cursor -> s_sibling;
              ino_t ino;
               int  i  =  filp -> f_pos;
               switch  (i)  {
                            case   0 :
                           ino  =  dentry -> d_inode -> i_ino;
                            if  (filldir(dirent,  " . " ,  1 , i, ino, DT_DIR)  <   0 )
                                         break ;
                           filp -> f_pos ++ ;
                           i ++ ;
                            /*  fallthrough  */ 
                            case   1 :
                           ino  =  parent_ino(dentry);
                            if  (filldir(dirent,  " .. " ,  2 , i, ino, DT_DIR)  <   0 )
                                         break ;
                           filp -> f_pos ++ ;
                           i ++ ;
                            /*  fallthrough  */ 
                            default :
                            if  (filp -> f_pos  ==   2 )  {
                                        list_del(q);
                                        list_add(q,  & parent_sd -> s_children);
                           } 
                            for  (p = q -> next; p !=   & parent_sd -> s_children; p = p -> next)  {
                                         struct  sysfs_dirent  * next;
                                         const   char   *  name;
                                         int  len;
                                        next  =  list_entry(p,  struct  sysfs_dirent, s_sibling);
                                         if  ( ! next -> s_element)
                                                      continue ;
                                        name  =  sysfs_get_name(next);
                                        len  =  strlen(name);
                                         if  (next -> s_dentry)
                                                     ino  =  next -> s_dentry -> d_inode -> i_ino;
                                         else 
                                                     ino  =  iunique(sysfs_sb,  2 );
                                         if  (filldir(dirent, name, len, filp -> f_pos, ino,dt_type(next))  <   0 )
                                                      return   0 ;
                                        list_del(q);
                                        list_add(q, p);
                                        p  =  q;
                                        filp -> f_pos ++ ;
                           } 
              } 
 return   0 ;
 }

看sysfs_readdir()其实很简单,它就是从我们调用sysfs_dir_open()时新建的一个sysfs_dirent结构开始, 便利当前dentry->dirent下的所有子sysfs_dirent结构。读出名字,再回调函数filldir()将文件名,文件类型等信 息,按照一定的格式写入某个缓冲区。

一个典型的filldir()就是filldir64(),它的作用的按一定格式向缓冲区写数据,再把数据复制到用户空间去。

 

跟上回一样,我用这个小程序来读

 #include  < stdio.h > 
 #include  < fcntl.h > 
 #include  < unistd.h > 
 int  main() {
                char   * name  =   " /sys/bus/ldd/version " ;
                char  buf[ 500 ];
                int  fd;
                int  size;
               fd  =  open(name, O_RDONLY);
               printf( " fd:%d " ,fd);
               size  =  read(fd,buf, sizeof (buf));
               printf( " size:%d " ,size);
               printf( " %s " ,buf);
               close(fd);
                return   - 1 ;
 }

(1)sysfs_open_file() 

open() ->/*用户空间*/
-> 系统调用->
sys_open() -> filp_open()-> dentry_open() -> sysfs_open_file()/*内核空间*/

static int sysfs_open_file(struct inode * inode, struct file * filp)
{
             return check_perm(inode,filp);
}

 static   int  check_perm( struct  inode  *  inode,  struct  file  *  file)
 {
      struct  kobject  * kobj  =  sysfs_get_kobject(file -> f_dentry -> d_parent);
      struct  attribute  *  attr  =  to_attr(file -> f_dentry);
      struct  sysfs_buffer  *  buffer;
      struct  sysfs_ops  *  ops  =  NULL;
      int  error  =   0 ;
 
      if  ( ! kobj  ||   ! attr)
          goto  Einval;
 
      /*  Grab the module reference for this attribute if we have one  */ 
      if  ( ! try_module_get(attr -> owner))  {
         error  =   - ENODEV;
          goto  Done;
     } 
 
      /*  if the kobject has no ktype, then we assume that it is a subsystem
      * itself, and use ops for it.
       */ 
      if  (kobj -> kset  &&  kobj -> kset -> ktype)
         ops  =  kobj -> kset -> ktype -> sysfs_ops;
      else   if  (kobj -> ktype)
         ops  =  kobj -> ktype -> sysfs_ops;
      else 
         ops  =   & subsys_sysfs_ops;
 
      /*  No sysfs operations, either from having no subsystem,
      * or the subsystem have no operations.
       */ 
      if  ( ! ops)
          goto  Eaccess;
 
      /*  File needs write support.
      * The inode's perms must say it's ok, 
      * and we must have a store method.
       */ 
      if  (file -> f_mode  &  FMODE_WRITE)  {
 
          if  ( ! (inode -> i_mode  &  S_IWUGO)  ||   ! ops -> store)
              goto  Eaccess;
 
     } 
 
      /*  File needs read support.
      * The inode's perms must say it's ok, and we there
      * must be a show method for it.
       */ 
      if  (file -> f_mode  &  FMODE_READ)  {
          if  ( ! (inode -> i_mode  &  S_IRUGO)  ||   ! ops -> show)
              goto  Eaccess;
     } 
 
      /*  No error? Great, allocate a buffer for the file, and store it
      * it in file->private_data for easy access.
       */ 
     buffer  =  kmalloc( sizeof ( struct  sysfs_buffer),GFP_KERNEL);
      if  (buffer)  {
         memset(buffer, 0 , sizeof ( struct  sysfs_buffer));
         init_MUTEX( & buffer -> sem);
         buffer -> needs_read_fill  =   1 ;
         buffer -> ops  =  ops;
         file -> private_data  =  buffer;
     }   else 
         error  =   - ENOMEM;
      goto  Done;
 
  Einval:
     error  =   - EINVAL;
      goto  Done;
  Eaccess:
     error  =   - EACCES;
     module_put(attr -> owner);
  Done:
      if  (error  &&  kobj)
         kobject_put(kobj);
      return  error;
 }

check_perm()检查一下权限,创建一个sysfs的缓冲区sysfs_buffer buffer,并设置其sysfs_ops sysfs_buffer->ops。在我们这个故事里,sysfs_buffer->ops被设置成bus_sysfs_ops。最后让 file->private_data = buffer。

(2)sysfs read file() 

流程如下:
read()->/*用户空间*/
-> 系统调用->
sys_read() -> vfs_read() -> sysfs_read_file()/*内核空间*/

看看sysfs_read_file()函数,

 static  ssize_t
 sysfs_read_file( struct  file  * file,  char  __user  * buf, size_t count, loff_t  * ppos)
 {
      struct  sysfs_buffer  *  buffer  =  file -> private_data;
     ssize_t retval  =   0 ;
 
     down( & buffer -> sem);
      if  (buffer -> needs_read_fill)  {
          if  ((retval  =  fill_read_buffer(file -> f_dentry,buffer)))
              goto   out ;
     } 
     pr_debug( " %s: count = %d, ppos = %lld, buf = %s " ,
          __FUNCTION__,count, * ppos,buffer -> page);
     retval  =  flush_read_buffer(buffer,buf,count,ppos);
 out :
     up( & buffer -> sem);
      return  retval;
 }

顺着sysfs_read_file()往下走:
sysfs_read_file()
              ---> fill_read_buffer()
                            ---> sysfs_buffer->bus_sysfs_ops->bus_attr_show()
                                        ---> bus_attribute->show_bus_version() //注意这个函数是我们在lddbus.c里面定义的
              ---> flush_read_buffer()

fill_read_buffer()的是真正的读,它把内容读到sysfs定义的缓冲区sysfs_buffer。flush_read_buffer()是把缓冲区copy到用户空间。详细内容我就不贴了。






本文转自张昺华-sky博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/sky-heaven/p/8145466.html,如需转载请自行联系原作者

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