Detaillierte Erläuterung des Linux-Gerätemodells (4)_sysfs

1. Einführung

sysfs ist ein RAM-basiertes Dateisystem, das in Verbindung mit Kobject verwendet wird, um Kernel-Datenstrukturen und -Attribute in den Benutzerbereich zu exportieren und Zugriffsunterstützung auf diese Datenstrukturen in Form von Dateiverzeichnisstrukturen bereitzustellen.

sysfs verfügt über alle Eigenschaften eines Dateisystems, aber dieser Artikel konzentriert sich auf seine Funktionen im Linux-Gerätemodell. Daher werden wir nicht zu viele Details zur Dateisystemimplementierung behandeln, sondern nur die Rolle und Verwendung von sysfs im Gerätemodell vorstellen. Dazu gehören insbesondere:

• Die Beziehung zwischen sysfs und Kobject
• Das Konzept des Attributs
• Dateisystem-Betriebsschnittstelle von sysfs

2. Die Beziehung zwischen sysfs und Kobject

Im Artikel „Linux Device Model_Kobject“ wird erwähnt, dass jedes Kobject einem Verzeichnis in sysfs entspricht. Wenn Sie Kobject zum Kernel hinzufügen, ruft die Schnittstelle create_dir daher die Schnittstelle zum Erstellen eines Verzeichnisses des sysfs-Dateisystems auf, um ein Verzeichnis zu erstellen, das dem Kobject entspricht. Der relevante Code lautet wie folgt:

 1: /* lib/kobject.c, line 47 */
 2: static int create_dir(struct kobject *kobj)
 3: {
 4:     int error = 0;
 5:     error = sysfs_create_dir(kobj);
 6:     if (!error) {
 7:         error = populate_dir(kobj);
 8:     if (error)
 9:         sysfs_remove_dir(kobj);
 10:     }   
 11:     return error;
 12: }
 13:  
 14: /* fs/sysfs/dir.c, line 736 */
 15: **
 16: *  sysfs_create_dir - create a directory for an object.
 17: *  @kobj:      object we're creating directory for. 
 18: */
 19: int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
 20: {
 21:     enum kobj_ns_type type;
 22:     struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;
 23:     const void *ns = NULL;
 24:     int error = 0;
 25:     ...
 26: }

3. Attribut

3.1 Übersicht über die Attributfunktionen

Warum gibt es in sysfs das Konzept des Attributs? Tatsächlich entspricht es kobject und bezieht sich auf die „Attribute“ von kobject. Wir wissen,

Das Verzeichnis in sysfs beschreibt kobject, und kobject ist die Verkörperung einer bestimmten Datentypvariablen (z. B. Strukturgerät). Daher sind die Attribute von kobject die Attribute dieser Variablen. Es kann alles sein, ein Name, eine interne Variable, eine Zeichenfolge usw. Attribute werden in Form von Dateien im sysfs-Dateisystem bereitgestellt, das heißt: alle Attribute von kobject werden in Form von Dateien im entsprechenden sysfs-Verzeichnis dargestellt. Diese Dateien sind im Allgemeinen lesbar und beschreibbar, und die Module im Kernel, die diese Attribute definieren, zeichnen die Werte dieser Attribute basierend auf den Lese- und Schreibvorgängen im Benutzerbereich auf und geben sie zurück.

Zusammenfassend: Das sogenannte Attibute ist eine Methode zur Informationsinteraktion zwischen Kernel-Space und User-Space. Wenn beispielsweise ein Fahrer eine Variable definiert und hofft, dass das User-Space-Programm die Variable ändern kann, um das Laufverhalten des Fahrers zu steuern, kann die Variable als sysfs-Attribut geöffnet werden.

Im Linux-Kernel werden Attribute wie folgt in gewöhnliche Attribute und binäre Attribute unterteilt:

 1: /* include/linux/sysfs.h, line 26 */
 2: struct attribute {
 3:     const char *name;
 4:     umode_t         mode;
 5: #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
 6:     bool ignore_lockdep:1;
 7:     struct lock_class_key   *key;
 8:     struct lock_class_key   skey;
 9: #endif
 10: };
 11:  
 12: /* include/linux/sysfs.h, line 100 */
 13: struct bin_attribute {
 14:     struct attribute    attr;
 15:     size_t          size;
 16:     void *private;
 17:     ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,
 18:                     char *, loff_t, size_t);
 19:     ssize_t (*write)(struct file *,struct kobject *, struct bin_attribute *,
 20:                     char *, loff_t, size_t);
 21:     int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
 22:                     struct vm_area_struct *vma);
 23: };

struct-Attribut ist ein gewöhnliches Attribut. Die mit diesem Attribut generierte sysfs-Datei kann nur in Form einer Zeichenfolge gelesen und geschrieben werden (ich werde später erklären, warum). Auf der Grundlage des Strukturattributs fügt struct bin_attribute Lese-, Schreib- und andere Funktionen hinzu, sodass die von ihm generierte SYSFS-Datei auf beliebige Weise gelesen und geschrieben werden kann.

Nachdem wir über die Grundkonzepte gesprochen haben, müssen wir zwei Fragen stellen:

Wie wandelt der Kernel Attribute in Dateien in sysfs um?

Wie übergebe ich die Lese- und Schreibvorgänge für sysfs-Dateien im Benutzerbereich an den Kernel?

Sehen wir uns den folgenden Prozess an.

3.2 Erstellung einer Attributdatei

Im Linux-Kernel wird die Erstellung der Attributdatei über die Schnittstelle sysfs_create_file in fs/sysfs/file.c abgeschlossen. Die meisten davon sind dateisystembezogene Vorgänge haben viel mit der Gerätemodellbeziehung zu tun, überspringen wir es hier.

3.3 Lesen und Schreiben von Attributdateien

Wenn wir den Prototyp des Strukturattributs in Kapitel 3.1 sehen, murmeln wir vielleicht, dass die Struktur sehr einfach ist, der Name den Dateinamen darstellt, der Modus den Dateimodus darstellt und die anderen Felder vom Kernel zum Debuggen von Kernel Lock und Datei verwendet werden Operationen. Wo ist die Schnittstelle?

Keine Sorge, gehen wir zum Verzeichnis fs/sysfs, um uns die sysfs-bezogene Codelogik anzusehen.

Alle Dateisysteme definieren eine Variable struct file_operations, um die Betriebsschnittstelle dieses Dateisystems zu beschreiben, und sysfs ist keine Ausnahme:

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 472 */
 2: const struct file_operations sysfs_file_operations = {
 3:     .read       = sysfs_read_file,
 4:     .write      = sysfs_write_file,
 5:     .llseek     = generic_file_llseek,
 6:     .open       = sysfs_open_file,
 7:     .release    = sysfs_release,
 8:     .poll       = sysfs_poll,
 9: };

Der Lesevorgang der Attributdatei wird von VFS an die Leseschnittstelle (das heißt sysfs_read_file) von sysfs_file_operations übertragen. Werfen wir einen groben Blick auf die Verarbeitungslogik dieser Schnittstelle.

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 127 */
 2: static ssize_t
 3: sysfs_read_file(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
 4: {
 5:     struct sysfs_buffer * buffer = file->private_data;
 6:     ssize_t retval = 0;
 7:  
 8:     mutex_lock(&buffer->mutex);
 9:     if (buffer->needs_read_fill || *ppos == 0) {
 10:        retval = fill_read_buffer(file->f_path.dentry,buffer);
 11:        if (retval)
 12:            goto out;
 13:    }
 14: ...
 15: }
 16: /* fs/sysfs/file.c, line 67 */
 17: static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)
 18: {           
 19:    struct sysfs_dirent *attr_sd = dentry->d_fsdata;
 20:    struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
 21:    const struct sysfs_ops * ops = buffer->ops;
 22:    ...        
 23:    count = ops->show(kobj, attr_sd->s_attr.attr, buffer->page);
 24:    ...
 25: }

“

read处理看着很简单，sysfs_read_file从file指针中取一个私有指针（注：大家可以稍微留一下心，私有数据的概念，在VFS中使用是非常普遍的），转换为一个struct sysfs_buffer类型的指针，以此为参数（buffer），转身就调用fill_read_buffer接口。

而fill_read_buffer接口，直接从buffer指针中取出一个struct sysfs_ops指针，调用该指针的show函数，即完成了文件的read操作。

那么后续呢？当然是由ops->show接口接着处理咯。而具体怎么处理，就是其它模块（例如某个driver）的事了，sysfs不再关心（其实，Linux大多的核心代码，都是只提供架构和机制，具体的实现，也就是苦力，留给那些码农吧！这就是设计的魅力）。

不过还没完，这个struct sysfs_ops指针哪来的？好吧，我们再看看open(sysfs_open_file)接口吧。

”

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 326 */
 2: static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
 3: {
 4:     struct sysfs_dirent *attr_sd = file->f_path.dentry->d_fsdata;
 5:     struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
 6:     struct sysfs_buffer *buffer;
 7:     const struct sysfs_ops *ops;
 8:     int error = -EACCES;
 9:  
 10:    /* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */
 11:    if (!sysfs_get_active(attr_sd))
 12:    return -ENODEV;
 13:  
 14:    /* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */
 15:    if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)
 16:        ops = kobj->ktype->sysfs_ops;
 17:    else {
 18:        WARN(1, KERN_ERR "missing sysfs attribute operations for "
 19:            "kobject: %s\n", kobject_name(kobj));
 20:        goto err_out;
 21:    }
 22:  
 23:    ...
 24:  
 25:    buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);
 26:    if (!buffer)
 27:        goto err_out;
 28:  
 29:    mutex_init(&buffer->mutex);
 30:    buffer->needs_read_fill = 1;
 31:    buffer->ops = ops;
 32:    file->private_data = buffer;
 33:    ...
 34: }

“

哦，原来和ktype有关系。这个指针是从该attribute所从属的kobject中拿的。再去看一下”Linux设备模型_Kobject”中ktype的定义，还真有一个struct sysfs_ops的指针。

我们注意一下14行的注释以及其后代码逻辑，如果从属的kobject（就是attribute文件所在的目录）没有ktype，或者没有ktype->sysfs_ops指针，是不允许它注册任何attribute的！

经过确认后，sysfs_open_file从ktype中取出struct sysfs_ops指针，并在随后的代码逻辑中，分配一个struct sysfs_buffer类型的指针（buffer），并把struct sysfs_ops指针保存在其中，随后（注意哦），把buffer指针交给file的private_data，随后read/write等接口便可以取出使用。嗯！惯用伎俩！

”

顺便看一下struct sysfs_ops吧，我想你已经能够猜到了。

 1: /* include/linux/sysfs.h, line 124 */
 2: struct sysfs_ops {
 3:     ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
 4:     ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
 5:     const void *(*namespace)(struct kobject *, const struct attribute *);
 6: };

attribute文件的write过程和read类似，这里就不再多说。另外，上面只分析了普通attribute的逻辑，而二进制类型的呢？也类似，去看看fs/sysfs/bin.c吧，这里也不说了。

讲到这里，应该已经结束了，事实却不是如此。上面read/write的数据流，只到kobject（也就是目录）级别哦，而真正需要操作的是attribute（文件）啊！这中间一定还有一层转换！确实，不过又交给其它模块了。 下面我们通过一个例子，来说明如何转换的。

4. sysfs在设备模型中的应用总结

让我们通过设备模型class.c中有关sysfs的实现，来总结一下sysfs的应用方式。

首先，在class.c中，定义了Class所需的ktype以及sysfs_ops类型的变量，如下：

 1: /* drivers/base/class.c, line 86 */
 2: static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = {
 3:     .show      = class_attr_show,
 4:     .store     = class_attr_store,
 5:     .namespace = class_attr_namespace,
 6: };  
 7: 
 8: static struct kobj_type class_ktype = {
 9:     .sysfs_ops  = &class_sysfs_ops,
 10:    .release    = class_release,
 11:    .child_ns_type  = class_child_ns_type,
 12: };

由前面章节的描述可知，所有class_type的Kobject下面的attribute文件的读写操作，都会交给class_attr_show和class_attr_store两个接口处理。以class_attr_show为例：

 1: /* drivers/base/class.c, line 24 */
 2: #define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)
 3:  
 4: static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
 5: char *buf)
 6: {   
 7:     struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);
 8:     struct subsys_private *cp = to_subsys_private(kobj);
 9:     ssize_t ret = -EIO;
 10:  
 11:    if (class_attr->show)
 12:    ret = class_attr->show(cp->class, class_attr, buf);
 13:    return ret;
 14: }

该接口使用container_of从struct attribute类型的指针中取得一个class模块的自定义指针：struct class_attribute，该指针中包含了class模块自身的show和store接口。下面是struct class_attribute的声明：

 1: /* include/linux/device.h, line 399 */
 2: struct class_attribute {
 3:     struct attribute attr;
 4:     ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
 5:                     char *buf);
 6:     ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
 7:                     const char *buf, size_t count);
 8:     const void *(*namespace)(struct class *class,
 9:                                 const struct class_attribute *attr); 
 10: };

因此，所有需要使用attribute的模块，都不会直接定义struct attribute变量，而是通过一个自定义的数据结构，该数据结构的一个成员是struct attribute类型的变量，并提供show和store回调函数。然后在该模块ktype所对应的struct sysfs_ops变量中，实现该本模块整体的show和store函数，并在被调用时，转接到自定义数据结构（struct class_attribute）

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