Linux设备模型：4、sysfs

作者：wowo 发布于：2014-3-14 18:31 分类：统一设备模型

http://www.wowotech.net/device_model/dm_sysfs.html

前言

sysfs是一个基于RAM的文件系统，它和Kobject一起，可以将Kernel的数据结构导出到用户空间，以文件目录结构的形式，提供对这些数据结构（以及数据结构的属性）的访问支持。

sysfs具备文件系统的所有属性，而本文主要侧重其设备模型的特性,因此不会涉及过多的文件系统实现细节，而只介绍sysfs在Linux设备模型中的作用和使用方法。具体包括：

• sysfs和Kobject的关系
• attribute的概念
• sysfs的文件系统操作接口

sysfs和Kobject的关系

在"Linux设备模型_Kobject”文章中，有提到过，每一个Kobject，都会对应sysfs中的一个目录。因此在将Kobject添加到Kernel时，create_dir接口会调用sysfs文件系统的创建目录接口，创建和Kobject对应的目录，相关的代码如下：

/* lib/kobject.c, line 47 */
static int create_dir(struct kobject *kobj)
{
    int error = 0;
    error = sysfs_create_dir(kobj);
    if (!error) {
        error = populate_dir(kobj);
    if (error)
        sysfs_remove_dir(kobj);
     }
     return error;
 }

 /* fs/sysfs/dir.c, line 736 */
 **
 *  sysfs_create_dir - create a directory for an object.
 *  @kobj:      object we're creating directory for.
 */
 int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
 {
     enum kobj_ns_type type;
     struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;
     const void *ns = NULL;
     int error = 0;
     ...
 }

attribute

attribute的功能概述

在sysfs中，为什么会有attribute的概念呢？其实它是对应kobject而言的，指的是kobject的“属性”。

我们知道，sysfs中的目录描述了kobject，而kobject是特定数据类型变量（如struct device）的体现。

因此kobject的属性，就是这些变量的属性。它可以是任何东西，名称、一个内部变量、一个字符串等等。

而attribute，在sysfs文件系统中是以文件的形式提供的，即：kobject的所有属性，都在它对应的sysfs目录下以文件的形式呈现。这些文件一般是可读、写的，而kernel中定义了这些属性的模块，会根据用户空间的读写操作，记录和返回这些attribute的值。

总结一下：所谓的attibute，就是内核空间和用户空间进行信息交互的一种方法。例如某个driver定义了一个变量，却希望用户空间程序可以修改该变量，以控制driver的运行行为，那么就可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来。

Linux内核中，attribute分为普通的attribute和二进制attribute，如下：

/* include/linux/sysfs.h, line 26 */
struct attribute {
    const char *name;
    umode_t         mode;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    bool ignore_lockdep:1;
    struct lock_class_key   *key;
    struct lock_class_key   skey;
#endif
 };

 /* include/linux/sysfs.h, line 100 */
 struct bin_attribute {
     struct attribute    attr;
     size_t          size;
     void *private;
     ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,
                     char *, loff_t, size_t);
     ssize_t (*write)(struct file *,struct kobject *, struct bin_attribute *,
                     char *, loff_t, size_t);
     int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
                     struct vm_area_struct *vma);
 };

struct attribute为普通的attribute，使用该attribute生成的sysfs文件，只能用字符串的形式读写（后面会说为什么）。

而struct bin_attribute在struct attribute的基础上，增加了read、write等函数，因此它所生成的sysfs文件可以用任何方式读写。

attribute和sysfs的关系

说完基本概念，我们要问两个问题：

Kernel怎么把attribute变成sysfs中的文件呢？

用户空间对sysfs的文件进行的读写操作，怎么传递给Kernel呢？

下面来看看过程。

attibute文件的创建

在linux内核中，attibute文件的创建是由fs/sysfs/file.c中sysfs_create_file接口完成的，该接口的实现没有什么特殊之处，大多是文件系统相关的操作，和设备模型没有太多的关系，这里先略过不提。

attibute文件的read和write

看到struct attribute的原型时，也许我们会犯嘀咕，该结构很简单啊，name表示文件名称，mode表示文件模式，其它的字段都是内核用于debug Kernel Lock的，那文件操作的接口在哪里呢？

不着急，我们去fs/sysfs目录下看看sysfs相关的代码逻辑。

所有的文件系统，都会定义一个struct file_operations变量，用于描述本文件系统的操作接口，sysfs也不例外：

 /* fs/sysfs/file.c, line 472 */
 const struct file_operations sysfs_file_operations = {
     .read       = sysfs_read_file,
     .write      = sysfs_write_file,
     .llseek     = generic_file_llseek,
     .open       = sysfs_open_file,
     .release    = sysfs_release,
     .poll       = sysfs_poll,
 };

attribute文件的read操作，会由VFS转到sysfs_file_operations的read（也就是sysfs_read_file）接口上，让我们大概看一下该接口的处理逻辑。

/* fs/sysfs/file.c, line 127 */
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;

    mutex_lock(&buffer->mutex);
    if (buffer->needs_read_fill || *ppos == 0) {
        retval = fill_read_buffer(file->f_path.dentry,buffer);
        if (retval)
            goto out;
    }
 ...
 }
 /* fs/sysfs/file.c, line 67 */
 static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)
 {
    struct sysfs_dirent *attr_sd = dentry->d_fsdata;
    struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
    const struct sysfs_ops * ops = buffer->ops;
    ...
    count = ops->show(kobj, attr_sd->s_attr.attr, buffer->page);
    ...
 }

sysfs_read_file从file指针中取一个私有指针转换为一个struct sysfs_buffer类型的指针，以此为参数（buffer），转身就调用fill_read_buffer接口。

私有数据（private_data）在VFS中使用是非常普遍的。

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。

/* fs/sysfs/file.c, line 326 */
static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
{
    struct sysfs_dirent *attr_sd = file->f_path.dentry->d_fsdata;
    struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
    struct sysfs_buffer *buffer;
    const struct sysfs_ops *ops;
    int error = -EACCES;

    /* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */
    if (!sysfs_get_active(attr_sd))
    return -ENODEV;

    /* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */
    if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)
        ops = kobj->ktype->sysfs_ops;
    else {
        WARN(1, KERN_ERR "missing sysfs attribute operations for "
            "kobject: %s\n", kobject_name(kobj));
        goto err_out;
    }

    ...

    buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);
    if (!buffer)
        goto err_out;

    mutex_init(&buffer->mutex);
    buffer->needs_read_fill = 1;
    buffer->ops = ops;
    file->private_data = buffer;
    ...
 }

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。

 /* include/linux/sysfs.h, line 124 */
 struct sysfs_ops {
     ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
     ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
     const void *(*namespace)(struct kobject *, const struct attribute *);
 };

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。

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：

/* drivers/base/class.c, line 86 */
static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = {
    .show      = class_attr_show,
    .store     = class_attr_store,
    .namespace = class_attr_namespace,
};  

static struct kobj_type class_ktype = {
    .sysfs_ops  = &class_sysfs_ops,
    .release    = class_release,
    .child_ns_type  = class_child_ns_type,
 };

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：

/* drivers/base/class.c, line 24 */
#define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)

static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
char *buf)
{
    struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);
    struct subsys_private *cp = to_subsys_private(kobj);
    ssize_t ret = -EIO;

    if (class_attr->show)
    ret = class_attr->show(cp->class, class_attr, buf);
    return ret;
 }

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：

/* include/linux/device.h, line 399 */
struct class_attribute {
    struct attribute attr;
    ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
                    char *buf);
    ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
                     const char *buf, size_t count);
    const void *(*namespace)(struct class *class,
                             const struct class_attribute *attr);
};

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）中的show和store函数中。这样，每个atrribute文件，实际上对应到一个自定义数据结构变量中了。