Linux kernel Kobjects解析

Kobjects
kobject是一种数据结构，定义在。
struct kobject {
    const char    * k_name;/*kobject 的名字数组（sysfs 入口使用的名字）指针；如果名字数组大小小于KOBJ_NAME_LEN，它指向本数组的name,否则指向另外分配的一个名字数组空间 */
    char            name[KOBJ_NAME_LEN];/*kobject 的名字数组，若名字数组大小不小于KOBJ_NAME_LEN，只储存前KOBJ_NAME_LEN个字符*/
    struct kref        kref;/*kobject 的引用计数*/
    struct list_head    entry;/*kobject 之间的双向链表，与所属的kset形成环形链表*/
    struct kobject        * parent;/*在sysfs分层结构中定位对象，指向上一级kset中的struct kobject kobj*/
    struct kset        * kset;/*指向所属的kset*/
    struct kobj_type    * ktype;/*负责对该kobject类型进行跟踪的struct kobj_type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*/
    wait_queue_head_t    poll;/*等待队列头*/
};
kobject 是组成设备模型的基本结构，初始它只被作为一个简单的引用计数, 但随时间的推移,其任务越来越多。现在kobject 所处理的任务和支持代码包括:
对象的引用计数：跟踪对象生命周期的一种方法是使用引用计数。当没有内核代码持有该对象的引用时, 该对象将结束自己的有效生命期并可被删除。
sysfs 表述：在 sysfs 中出现的每个对象都对应一个 kobject, 它和内核交互来创建它的可见表述。
数据结构关联：整体来看, 设备模型是一个极端复杂的数据结构，通过其间的大量链接而构成一个多层次的体系结构。kobject 实现了该结构并将其聚合在一起。
热插拔事件处理：kobject 子系统将产生的热插拔事件通知用户空间。
一个kobject对自身并不感兴趣，它存在的意义在于把高级对象连接到设备模型上。因此内核代码很少(甚至不知道)创建一个单独的 kobject；而kobject 被用来控制对大型域（domain）相关对象的访问，所以kobject 被嵌入到其他结构中。kobject 可被看作一个最顶层的基类，其他类都它的派生产物。 kobject 实现了一系列方法，对自身并没有特殊作用，而对其他对象却非常有效。
对于给定的kobject指针，可使用container_of宏得到包含它的结构体的指针。
kobject 初始化
kobject的初始化较为复杂，但是必须的步骤如下：
（1）将整个kobject清零，通常使用memset函数。
（2）调用kobject_init()函数，设置结构内部一些成员。所做的一件事情是设置kobject的引用计数为1。具体的源码如下：
void kobject_init(struct kobject * kobj)/*in kobject.c*/
{
    if (!kobj)
        return;
    kref_init(&kobj->kref);/*设置引用计数为1*/
    INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry);/*初始化kobject 之间的双向链表*/
    init_waitqueue_head(&kobj->poll);/*初始化等待队列头*/
    kobj->kset = kset_get(kobj->kset);/*增加所属kset的引用计数（若没有所属的kset，则返回NULL）*/
}
void kref_init(struct kref *kref)/*in kobject.c*/
{
    atomic_set(&kref->refcount,1);
    smp_mb();
}
static inline struct kset * to_kset(struct kobject * kobj)/*in kobject.h*/
{
    return kobj ? container_of(kobj,struct kset,kobj) : NULL;
}
static inline struct kset * kset_get(struct kset * k)/*in kobject.h*/
{
    return k ? to_kset(kobject_get(&k->kobj)) : NULL;/*增加引用计数*/
}
（3）设置kobject的名字
int kobject_set_name(struct kobject * kobj, const char * fmt, ...);
（4）直接或间接设置其它成员：ktype、kset和parent。（重要）
对引用计数的操作
kobject 的一个重要函数是为包含它的结构设置引用计数。只要对这个对象的引用计数存在, 这个对象( 和支持它的代码) 必须继续存在。底层控制 kobject 的引用计数的函数有:
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);/*若成功，递增 kobject 的引用计数并返回一个指向 kobject 的指针，否则返回 NULL。必须始终测试返回值以免产生竞态*/
void kobject_put(struct kobject *kobj);/*递减引用计数并在可能的情况下释放这个对象*/
注意：kobject _init 设置这个引用计数为 1，因此创建一个 kobject时, 当这个初始化引用不再需要，应当确保采取 kobject_put 调用。同理：struct cdev 的引用计数实现如下:
struct kobject *cdev_get(struct cdev *p)
{
struct module *owner = p->owner;
struct kobject *kobj;
if (owner && !try_module_get(owner))
return NULL;
kobj = kobject_get(&p->kobj);
if (!kobj)
module_put(owner);
return kobj;
}
创建一个对 cdev 结构的引用时，还需要创建包含它的模块的引用。因此, cdev_get 使用 try_module_get 来试图递增这个模块的使引用计数。如果这个操作成功, kobject_get 被同样用来递增 kobject 的引用计数。kobject_get 可能失败, 因此这个代码检查 kobject_get 的返回值，如果调用失败，则释放它的对模块的引用计数。
release 函数和 kobject 类型
引用计数不由创建 kobject 的代码直接控制，当 kobject 的最后引用计数消失时，必须异步通知，而后kobject中ktype所指向的kobj_type结构体包含的release函数会被调用。通常原型如下：
void my_object_release(struct kobject *kobj)
{
struct my_object *mine = container_of(kobj, struct my_object, kobj);
/* Perform any additional cleanup on this object, then... */
kfree(mine);
}
每个 kobject 必须有一个release函数, 并且这个 kobject 必须在release函数被调用前保持不变( 稳定状态 ) 。这样，每一个 kobject 需要有一个关联的 kobj_type 结构，指向这个结构的指针能在 2 个不同的地方找到：
（1）kobject 结构自身包含一个成员(ktype)指向kobj_type ；
（2）如果这个 kobject 是一个 kset 的成员, kset 会提供kobj_type 指针。
struct kset {
    struct kobj_type    * ktype; /*指向该kset对象类型的指针*/
    struct list_head    list;/*用于连接该kset中所有kobject以形成环形链表的链表头*/
    spinlock_t        list_lock;/*用于避免竞态的自旋锁*/
    struct kobject        kobj; /*嵌入的kobject*/
    struct kset_uevent_ops    * uevent_ops;
/*原有的struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops;已经不存在，被kset_uevent_ops 结构体替换，在热插拔操作中会介绍*/
};
以下宏用以查找指定kobject的kobj_type 指针:
struct kobj_type *get_ktype(struct kobject *kobj);
这个函数其实就是从以上提到的这两个地方返回kobj_type指针，源码如下：
static inline struct kobj_type * get_ktype(struct kobject * k)
{
    if (k->kset && k->kset->ktype)
        return k->kset->ktype;
    else
        return k->ktype;
}
kobject 层次结构、kset 和子系统
内核通常用kobject 结构将各个对象连接起来组成一个分层的结构体系，与模型化的子系统相匹配。有 2 个独立的机制用于连接: parent 指针和 kset。
parent 是指向另外一个kobject 结构（分层结构中上一层的节点）的指针，主要用途是在 sysfs 层次中定位对象.
kset
kset 象 kobj_type 结构的扩展; 一个 kset 是嵌入到相同类型结构的 kobject 的集合。但 struct kobj_type 关注的是对象的类型，而struct kset 关心的是对象的聚合和集合，其主要功能是包容，可认为是kobjects 的顶层容器类。每个 kset 在内部包含自己的 kobject, 并可以用多种处理kobject 的方法处理kset。 ksets 总是在 sysfs 中出现; 一旦设置了 kset 并把它添加到系统中, 将在 sysfs 中创建一个目录；kobjects 不必在 sysfs 中表示, 但kset中的每一个 kobject 成员都在sysfs中得到表述。
增加 kobject 到 kset 中去，通常是在kobject 创建时完成，其过程分为2步：
（1）完成kobject的初始化，特别注意mane和parent和初始化。
（2）把kobject 的 kset 成员指向目标kset。
（3）将kobject 传递给下面的函数：
int kobject_add(struct kobject *kobj); /*函数可能失败(返回一个负错误码),程序应作出相应地反应*/
内核提供了一个组合函数：
extern int kobject_register(struct kobject *kobj); /*仅仅是一个 kobject_init 和 kobject_add 的结合，其他成员的初始化必须在之前手动完成*/
当把一个kobject从kset中删除以清除引用时使用：
void kobject_del(struct kobject *kobj); /*是 kobject_del 和 kobject_put 的结合*/
kset 在一个标准的内核链表中保存了它的子节点，在大部分情况下, 被包含的 kobjects 在它们的 parent 成员中保存指向 kset内嵌的 kobject的指针，关系如下：

图表中的所有的被包含的 kobjects 实际上被嵌入在一些其他类型中, 甚至可能其他的 kset。
kset 上的操作
ksets 有类似于kobjects初始化和设置接口:
void kset_init(struct kset *kset);
int kset_add(struct kset *kset);
int kset_register(struct kset *kset);
void kset_unregister(struct kset *kset);
/*管理 ksets 的引用计数:*/
struct kset *kset_get(struct kset *kset);
void kset_put(struct kset *kset);
/* kset 也有一个名字,存储于嵌入的 kobject,因此设置它的名字用:*/
kobject_set_name(&my_set->kobj, "The name");
ksets 还有一个指针指向 kobj_type 结构来描述它包含的 kobject，这个类型优先于 kobject 自身中的 ktype 。因此在典型的应用中, 在 struct kobject 中的 ktype 成员被设为 NULL, 而 kset 中的ktype是实际被使用的。
在新的内核里， kset 不再包含一个子系统指针struct subsystem * subsys，而且subsystem已经被kset取代。
子系统
子系统是对整个内核中一些高级部分的表述。子系统通常(但不一定)出现在 sysfs分层结构中的顶层，内核子系统包括 block_subsys(/sys/block 块设备)、 devices_subsys(/sys/devices 核心设备层)以及内核已知的用于各种总线的特定子系统。
对于新的内核已经不再有subsystem数据结构了，用kset代替了。每个 kset 必须属于一个子系统，子系统成员帮助内核在分层结构中定位 kset 。
/*子系统通常用以下的宏声明:*/
decl_subsys(name, struct kobj_type *type, struct kset_uevent_ops * uevent_ops);
/*子系统的操作函数:*/
void subsystem_init(struct kset *s);
int subsystem_register(struct kset *s);
void subsystem_unregister(struct kset *s);
struct subsystem *subsys_get(struct kset *s)
void subsys_put(struct kset *s);
/*这些函数基本上是kset操作函数的包装，以实现子系统的操作*/
底层sysfs操作
kobject 是在 sysfs 虚拟文件系统后的机制。对每个在 sysfs 中的目录, 在内核中都会有一个 kobject 与之对应。每个 kobject 都输出一个或多个属性, 它在 kobject 的 sysfs 目录中以文件的形式出现, 其中的内容由内核产生。   包含 sysfs 的工作代码。
在 sysfs 中创建kobject的入口是kobject_add的工作的一部分，只要调用 kobject_add 就会在sysfs 中显示，还有些知识值得记住:
（1）kobjects 的 sysfs 入口始终为目录, kobject_add 的调用将在sysfs 中创建一个目录，这个目录包含一个或多个属性（文件）；
（2）分配给 kobject 的名字( 用 kobject_set_name ) 是 sysfs 中的目录名，出现在 sysfs 层次的相同部分的 kobjects 必须有唯一的名字. 分配给 kobjects 的名字也应当是合法的文件名字: 它们不能包含非法字符（如：斜线）且不推荐使用空白。
（3）sysfs 入口位置对应 kobject 的 parent 指针。若 parent 是 NULL ，则它被设置为嵌入到新 kobject 的 kset 中的 kobject；若 parent 和 kset 都是 NULL, 则sysfs 入口目录在顶层，通常不推荐。
默认属性
当创建kobject 时, 每个 kobject 都被给定一系列默认属性。这些属性保存在 kobj_type 结构中:
struct kobj_type {
void (*release)(struct kobject *);
struct sysfs_ops *sysfs_ops;/*提供实现以下属性的方法*/
struct attribute **default_attrs; /*用于保存类型属性列表（指针的指针） */
};
struct attribute {
char *name;/*属性的名字( 在 kobject 的 sysfs 目录中显示)*/
struct module *owner;/*指向模块的指针(如果有), 此模块负责实现这个属性*/
mode_t mode; /*属性的保护位,modes 的宏定义在 :例如S_IRUGO 为只读属性等等*/
}; /*default_attrs 列表中的最后一个元素必须用 0 填充*/
sysfs 读写这些属性是由 kobj_type->sysfs_ops 成员中的函数完成的:
struct sysfs_ops {
ssize_t (*show)(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buffer);
ssize_t (*store)(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buffer, size_t size);
};
当用户空间读取一个属性时，内核会使用指向 kobject 的指针（kobj）和正确的属性结构（*attr）来调用show 方法，该方法将给定属性值编码进缓冲(buffer)（注意不要越界( PAGE_SIZE 字节)），并返回实际数据长度。sysfs 的约定要求每个属性应当包含一个单个人眼可读值; 若返回大量信息,需将它分为多个属性.
也可对所有 kobject 关联的属性使用同一个 show 方法，用传递到函数的 attr 指针来判断所请求的属性。有的 show 方法包含对属性名字的检查。有的show 方法会将属性结构嵌入另一个结构, 这个结构包含需要返回属性值的信息，这时可用container_of 获得上层结构的指针以返回属性值的信息。
store 方法将存在缓冲（buffer）的数据( size 为数据的长度，不能超过 PAGE_SIZE )解码并保存新值到属性（*attr）, 返回实际解码的字节数。store 方法只在拥有属性的写权限时才能被调用。此时注意：接收来自用户空间的数据一定要验证其合法性。如果到数据不匹配, 返回一个负的错误值。
非默认属性
虽然 kobject 类型的 default_attrs 成员描述了所有的 kobject 会拥有的属性，倘若想添加新属性到 kobject 的 sysfs 目录属性只需简单地填充一个attribute结构并传递到以下函数:
int sysfs_create_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);
/*若成功，文件以attribute结构中的名字创建并返回 0; 否则, 返回负错误码*/
/*注意：内核会调用相同的 show() 和 store() 函数来实现对新属性的操作，所以在添加一个新非默认属性前，应采取必要的步骤确保这些函数知道如何实现这个属性*/
若要删除属性，调用:
int sysfs_remove_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);
/*调用后, 这个属性不再出现在 kobject 的 sysfs 入口。若一个用户空间进程可能有一个打开的那个属性的文件描述符，在这个属性已经被删除后，show 和 store 仍然可能被调用*/
二进制属性
sysfs 通常要求所有属性都只包含一个可读文本格式的值，很少需要创建能够处理大量二进制数据的属性。但当在用户空间和设备间传递不可改变的数据时（如上传固件到设备）就需要这个特性。二进制属性使用一个 bin_attribute 结构来描述:
struct bin_attribute {
    struct attribute    attr;/*属性结构体*/
    size_t            size;/*这个二进制属性的最大大小(若无最大值则为0)*/
    void            *private;
    ssize_t (*read)(struct kobject *, char *, loff_t, size_t);
    ssize_t (*write)(struct kobject *, char *, loff_t, size_t);
/*read 和 write 方法类似字符驱动的读写方法;，在一次加载中可被多次调用,每次调用最大操作一页数据，且必须能以其他方式判断操作数据的末尾*/
    int (*mmap)(struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
         struct vm_area_struct *vma);
};
/*二进制属性必须显式创建，不能以默认属性被创建，创建一个二进制属性调用:*/
int sysfs_create_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);
/*删除二进制属性调用:*/
int sysfs_remove_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);
符号链接
sysfs 文件系统具有树型结构, 反映 kobject之间的组织层次关系。为了表示驱动程序和所管理的设备间的关系，需要额外的指针，其在 sysfs 中通过符号链接实现。
/*在 sysfs 创建一个符号链接:*/
int sysfs_create_link(struct kobject *kobj, struct kobject *target, char *name);
/*函数创建一个链接(name)指向target的 sysfs 入口作为 kobj 的一个属性，是一个相对连接，与它在sysfs 系统中的位置无关*/
/*删除符号连接调用:*/
void sysfs_remove_link(struct kobject *kobj, char *name);
热插拔事件产生
一个热插拔事件是一个从内核空间发送到用户空间的通知, 表明系统配置已经改变. 无论 kobject 被创建或删除，都会产生这种事件。热插拔事件会导致对 /sbin/hotplug 的调用, 它通过加载驱动程序, 创建设备节点, 挂载分区或其他正确动作响应事件。
热插拔事件的实际控制是通过一套存储于 kset_uevent_ops （《LDD3》中介绍的struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops;在2.6.22.2中已经被kset_uevent_ops 结构体替换）结构的方法完成：
struct kset_uevent_ops {
    int (*filter)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
    const char *(*name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
    int (*uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, char **envp,
            int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
};
可以在 kset 结构的uevent_ops 成员中找到指向kset_uevent_ops结构的指针。
若在 kobject 中不包含指定的 kset , 内核将通过 parent 指针在分层结构中进行搜索，直到发现一个包含有kset的 kobject ; 接着使用这个 kset 的热插拔操作。
kset_uevent_ops 结构中的三个方法作用如下：
（1） filter 函数让 kset 代码决定是否将事件传递给用户空间。如果 filter 返回 0,将不产生事件。以磁盘的 filter 函数为例，它只允许kobject产生磁盘和分区的事件，源码如下:
static int block_hotplug_filter(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
struct kobj_type *ktype = get_ktype(kobj);
    return ((ktype == &ktype_block) || (ktype == &ktype_part));
}
（2）当调用用户空间的热插拔程序时，相关子系统的名字将作为唯一的参数传递给它。name 函数负责返回合适的字符串传递给用户空间的热插拔程序。
（3）热插拔脚本想得到的任何其他参数都通过环境变量传递。uevent 函数的作用是在调用热插拔脚本之前将参数添加到环境变量中。函数原型：
int (*uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, /*产生事件的目标对象*/
char **envp,/*一个保存其他环境变量定义(通常为 NAME=value 的格式)的数组*/
int num_envp, /*环境变量数组中包含的变量个数（数组大小）*/
char *buffer, int buffer_size/*环境变量被编码后放入的缓冲区的指针和字节数（大小）*/
/*若需要添加任何环境变量到 envp, 必须在最后的添加项后加一个 NULL 入口，使内核知道数组的结尾*/
        );
/*返回值正常应当是 0，若返回非零值将终止热插拔事件的产生*/
热插拔事件的产生通常是由在总线驱动程序层的逻辑所控制。

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