Linux-内核网络-理论篇-设备模型

初衷

设备模型诞生的初衷：为了解决越来越复杂的设备拓扑结构问题。问题描述：最早的内核中没有独立的数据结构来让内核获得整体系统的配合信息。虽然一开始可以正常的工作，但是随着拓扑结构越来越复杂，以及要支持更多的新特性内核就优点力不从心了，陷入无法维护的情况。总结来说设备模型是为了内核更好的管理设备和让开发者更好的扩展新设备新功能

建立设备模型后内核系统具有了如下的优点：

1. 代码重复降到最低

2. 提供了统一的引用计数机制

3. 可以很方便的罗列出所有的设备，很方便的检查他们的状态、连接的总线

4. 可以将系统中的所有设备以树形结构展示。包括了总线和内部连接

5. 可以将设备和对应的驱动程序相互联系起来

6. 可以将设备按照类型分类

7. 可以从设备树的叶节点向根遍历

案例：关闭电源，若是想正确的关闭电源肯定要建立一个优先级的顺序和结构，先依次向下遍历叶节点中的子系统比如:USB、PCI。再逐个网上遍历父级系统，最终关闭根电源系统。（反思一下，如果这些关闭方式都由各个子系统自己负责，那是多么混乱）

设备模型有几个简单的数据结构：kobject、kset、ktype 和 子系统

kobject

kobject 是设备模型中最核心的也是最基本的数据结构。最初只负责引用计数的功能，但是随着系统的更新 kobject 负责的任务越来越多。所以字段也增加了很多，数据结构：

struct kobject {  const char    *name; // kobject 的名称  struct list_head  entry; //   struct kobject    *parent; // kobject 的父对象  struct kset    *kset;   struct kobj_type  *ktype;  struct kernfs_node  *sd; // 指向 sysfs_dirent 结构体  struct kref    kref; // 引用计数器#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;};

kobject 如果单独使用的话好像并没有什么意义，所以 kobject 一般是嵌入到其他结构中。可以认为通过 kobject 结构，让开发者使用面向对象的方式思考开发步骤，降低了开发难度。比如：

struct cdev {  struct kobject kobj;  struct module *owner;  const struct file_operations *ops;  struct list_head list;  dev_t dev;  unsigned int count;} __randomize_layout;

ktype

ktype 是 kobject 依赖的一个特殊类型。ktype 原型为 kobj_type 结构体，主要定义了kobject 普遍的特性。比如：释放、sysfs 文件操作、属性字段等。ktype 特点：同类型的 kobject 可以共享 ktype

struct kobj_type {  void (*release)(struct kobject *kobj); // 析构函数  const struct sysfs_ops *sysfs_ops; // sysfs 文件读写时的特性  struct attribute **default_attrs;   // kobject 相关的默认属性  const struct attribute_group **default_groups; // 属性分组  const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);  const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);  void (*get_ownership)(struct kobject *kobj, kuid_t *uid, kgid_t *gid);};

release:指针指向 kobject 的析构函数，当应用计数降为 0 的时候将自动调用sysfs_ops:指向 sysfs_ops 结构体。主要描述了读写 sysfs 文件读写时的特性default_attrs: 定义了 kobject 默认属性，会随着 kobject 导出到 sysfs 而导出

kobject 使用

按照惯例都需要初始化，kobject 也不例外在初始化之前需要清空kobject ，如果没有整个清空在使用的时候经常会发生一些奇奇怪怪的事情，然后调用 kobject_init 函数。

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

第一个参数就是需要初始的 kobject 对象，第二个参数就是 ktype ，调用步骤如下参考:

struct kobject *kobj;kobj = kzmalloc(sizeof(*kobj), GFP_KERNEL);if(!kobj)  return -ENOMEM;kobj->set = mykset;kobject_init(kobj, myktyp);

通过上述的步骤就可以获得一个初始化后的 kobject 当然现在为了方便使用已经将很多操作步骤整合为一个函数了: kobject_create 。当调用这个函数时会自动返回一个 kobject 使用起来相当便捷:

struct kobject *kobj;kobj = kobject_create();if(!kobj)  return -ENOMEM;

然后在使用 kobject 的时候最起码要给 kobject 一个名字，使用如下函数:

int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *name, ...);int kobject_set_name_vargs(struct kobject *kobj, const char *fmt,va_list vargs);

kobject 主要功能之一就是提供了统一的引用基数。初始化之后 kobject 的引用基数就会被自动初始化为 1 。只要引用计数不为 0，那么 kobject 就会永远的保留在内存中。底层对引用计数的操作函数有:

struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);void kobject_put(struct kobject *kobj);

kobject_get 调用成功后会增加 kobject 引用计数，并返回指向 kobject 的指针，如果kobject 处于销毁状态那么就会调用失败，返回 NULL 。当引用被释放时调用 kobject_put减少引用计数，当计数为 0 的情况之下可能会自动调用 release 释放当前对象. 所以 release不可以为空，如果为空将会带来不可预知的后果。

kset

kset 是 kobject 对象的集合体，可以把 kset 看做一个容器，可将所有相关的 kobject 对象置于同一父级结构下。代码：

struct kset {  struct list_head list;  spinlock_t list_lock;  struct kobject kobj;  const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;} __randomize_layout;

list: 连接该集合中所有的 kobject 对象list_lock:是保护这个链表中元素的自旋锁kobj:指向的 kobject 为 kset 基础类型.uevent_ops:用于处理集合中 kobject 对象的热插拔操作。uevent 就是 user event 的意思，提供与用户空间热插拔信息进行通信的机制kset 也有一个名字，它保存在内嵌的 kobject 中。如果要设置 kset 的名字方式如下:

kobject_set_name(&my_set->kobj, "myname");

kset 中也有一个指针指向 ktype ，用来描述它所包含的 kobject ，该类型的使用优先于 kobject的 ktype 。所以大多时候 kobject 中的 ktype 被设置为 NULL

子系统

子系统是对整个内核中一些高级部分的描述。子系统通常显示在 sysfs 分层结构的顶层。比如：/sys/devices、/sys/block 还有其他的子系统通过查看 /sys/ 目录可见，因为子系统相当稳定，基本不需要开发新的子系统，所以不在讲解

最终呈现的视图如下:

参考

[Linux 内核设计与实现]

[Linux 驱动设计]

[http://www.iakovlev.org/index.html?p=1025]