Geräteverwaltung in Linux-Systemen: beginnend mit der dev_add-Funktion

Linux设备管理是Linux系统中一种重要的机制，它用来实现对设备的统一管理和操作，如创建，删除，查找，修改等。Linux设备管理涉及到三个核心的概念：kobject，kset和kobj_type。kobject是一种通用的内核对象，它可以用来表示任何类型的设备。kset是一种容器对象，它可以用来组织和管理一组相关的kobject。kobj_type是一种类型对象，它可以用来定义kobject的属性和操作。

这里我们来探讨一下Linux内核(以4.8.5内核为例)是怎么管理字符设备的，即当我们获得了设备号，分配了cdev结构，注册了驱动的操作方法集，最后进行cdev_add()的时候，究竟是将哪些内容告诉了内核，内核又是怎么管理我的cdev结构的，这就是本文要讨论的内容。我们知道，Linux内核对设备的管理是基于kobject，这点从我们的cdev结构中就可以看出，所以，接下来，你将看到”fs/char_dev.c”中实现的操作字符设备的函数都是基于**”lib/kobject.c”以及“drivers/base/map.c”中对kobject操作的函数。好，现在我们从cdev_add()**开始一层层的扒。

cdev_map对象

//fs/char_dev.c
 27 static struct kobj_map *cdev_map;

内核中关于字符设备的操作函数的实现放在**”fs/char_dev.c”中，打开这个文件，首先注意到就是这个在内核中不常见的静态全局变量cdev_map**(27)，我们知道，为了提高软件的内聚性，Linux内核在设计的时候尽量避免使用全局变量作为函数间数据传递的方式，而建议多使用形参列表，而这个结构体变量在这个文件中到处被使用，所以它应该是描述了系统中所有字符设备的某种信息，带着这样的想法，我们可以在**”drivers/base/map.c”中找到kobj_map**结构的定义:

//drivers/base/map.c
 19 struct kobj_map {        
 20         struct probe {
 21                 struct probe *next;
 22                 dev_t dev;
 23                 unsigned long range;
 24                 struct module *owner;
 25                 kobj_probe_t *get;
 26                 int (*lock)(dev_t, void *);
 27                 void *data;
 28         } *probes[255];  
 29         struct mutex *lock;
 30 };

从中可以看出，kobj_map的核心就是一个struct probe指针类型、大小为255的数组，而在这个probe结构中，第一个成员next(21)显然是将这些probe结构通过链表的形式连接起来，dev_t类型的成员dev显然是设备号，get(25)和lock(26)分别是两个函数接口，最后的重点来了，void*作为C语言中的万金油类型，在这里就是我们cdev结构(通过后面的分析可以看出)，所以，这个cdev_map是一个struct kobj_map类型的指针，其中包含着一个struct probe指针类型、大小为255的数组，数组的每个元素指向的一个probe结构封装了一个设备号和相应的设备对象(这里就是cdev)，可见，这个cdev_map封装了系统中的所有的cdev结构和对应的设备号，最多为255个字符设备。

cdev_add

了解了cdev_map的功能，我们就可以一探cdev_add()

//fs/char_dev.c
456 int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)  
457 {
458         int error;
459 
460         p->dev = dev;
461         p->count = count;
462 
463         error = kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL,
464                          exact_match, exact_lock, p);
465         if (error)
466                 return error;
467 
468         kobject_get(p->kobj.parent);
469 
470         return 0;
471 }

函数很短，(460-461)就是将我们之前获得设备号和设备号长度填充到cdev结构中，kobject_get()(468)也没做什么事:

//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 }

所以，核心工作显然是交给了kobj_map()

kobj_map()

这个函数在内核的设备管理中占有重要的地位，这里我们只从字符设备的角度分析它的功能，先上实现

//drivers/base/map.c
 32 int kobj_map(struct kobj_map *domain, dev_t dev, unsigned long range,
 33              struct module *module, kobj_probe_t *probe,
 34              int (*lock)(dev_t, void *), void *data)
 35 {
 36         unsigned n = MAJOR(dev + range - 1) - MAJOR(dev) + 1;
 37         unsigned index = MAJOR(dev);
 38         unsigned i;
 39         struct probe *p;
        ...
 44         p = kmalloc_array(n, sizeof(struct probe), GFP_KERNEL);
        ...
 48         for (i = 0; i owner = module;
 50                 p->get = probe;
 51                 p->lock = lock;
 52                 p->dev = dev;
 53                 p->range = range;
 54                 p->data = data;
 55         }
 56         mutex_lock(domain->lock);
 57         for (i = 0, p -= n; i probes[index % 255];
 59                 while (*s && (*s)->range next;
 61                 p->next = *s;       
 62                 *s = p;
 63         }
 64         mutex_unlock(domain->lock);      
 65         return 0;
 66 }

这个函数的设计也很单纯，就是封装好一个probe结构并将它的地址放入probes数组进而封装进cdev_map,(48-55)j就是根据传入的设备号的个数，将设备号和cdev依次封装到kmalloc_array分配的n个probe结构中，(57-63)就是遍历probs数组，直到找到一个值为NULL的元素，再将probe的地址存入probes。至此，我们就将我们的cdev放入的内核的数据结构，当然，cdev中大量属性都是由内核帮我们填充的。

chrdev_open()

将设备放入的内核，我们再来看看内核是怎么找到一个特定的cdev的，对一个字符设备的访问流程大概是：文件路径=>inode=>chrdev_open=>cdev->fops->my_chr_open。所以只要通过VFS找到了inode，就可以找到chrdev_open()，这里我们就来关注一个chrdev_open()是怎么从内核的数据结构中找到我们的cdev并回调里满的my_chr_open()的。首先，chrdev_open()尝试将inode->i_cdev（一个cdev结构指针）保存在局部变量p中(359)，如果p为空，即inode->i_cdev为空(360)，我们就根据inode->i_rdev（设备号）通过kobj_lookup搜索cdev_map，并返回与之对应kobj(364)，由于kobject是cdev的父类，我们根据container_of很容易找到相应的cdev结构并将其保存在inode->i_cdev中(367)，找到了cdev，我们就可以将inode->devices挂接到inode->i_cdev的管理链表中，这样下次就不用重新搜索，直接cdev_get()即可(378)。找到了我们的cdev结构，我们就可以将其中的操作方法集inode->i_cdev->ops传递给filp->f_ops(386-390)，这样，我们就可以回调我们的设备打开函数my_chr_open()(392);

//fs/char_dev.c
326 static struct kobject *cdev_get(struct cdev *p)     
327 {
328         struct module *owner = p->owner;
329         struct kobject *kobj;
330         
331         if (owner && !try_module_get(owner))
332                 return NULL;
333         kobj = kobject_get(&p->kobj);
        ...
336         return kobj;
337 }

351 static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
352 {
353         const struct file_operations *fops;
354         struct cdev *p;
355         struct cdev *new = NULL;
356         int ret = 0;
        ...
359         p = inode->i_cdev;
360         if (!p) {
361                 struct kobject *kobj;
362                 int idx;
            ...
364                 kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx);
            ...
367                 new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
369                 /* Check i_cdev again in case somebody beat us to it while
370                    we dropped the lock. */
371                 p = inode->i_cdev;
372                 if (!p) {
373                         inode->i_cdev = p = new;
374                         list_add(&inode->i_devices, &p->list);
375                         new = NULL;
376                 } else if (!cdev_get(p))
377                         ret = -ENXIO;
378         } else if (!cdev_get(p))
379                 ret = -ENXIO;
            ...
386         fops = fops_get(p->ops);
        ...
390         replace_fops(filp, fops);
391         if (filp->f_op->open) {
392                 ret = filp->f_op->open(inode, filp);
            ...
395         }
396 
397         return 0;
398 
399  out_cdev_put:
400         cdev_put(p);
401         return ret;
402 }

通过本文，我们了解了Linux设备管理的原理和方法。它们可以用来实现对设备的统一管理和操作。我们应该根据实际需求选择合适的方法，并遵循一些基本原则，如使用正确的引用计数，使用正确的锁机制，使用正确的属性文件等。Linux设备管理是Linux系统中最基本的机制之一，它可以实现对设备的抽象和封装，也可以提升系统的可维护性和可扩展性。希望本文能够对你有所帮助和启发。

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