Linux設(shè)備管理從dev_add說起

這里我們來探討一下Linux內(nèi)核(以4.8.5內(nèi)核為例)是怎么管理字符設(shè)備的，即當(dāng)我們獲得了設(shè)備號(hào)，分配了cdev結(jié)構(gòu)，注冊(cè)了驅(qū)動(dòng)的操作方法集，最后進(jìn)行cdev_add()的時(shí)候，究竟是將哪些內(nèi)容告訴了內(nèi)核，內(nèi)核又是怎么管理我的cdev結(jié)構(gòu)的，這就是本文要討論的內(nèi)容。我們知道，Linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備的管理是基于kobject，這點(diǎn)從我們的cdev結(jié)構(gòu)中就可以看出，所以，接下來，你將看到"fs/char_dev.c"中實(shí)現(xiàn)的操作字符設(shè)備的函數(shù)都是基于"lib/kobject.c"以及"drivers/base/map.c"中對(duì)kobject操作的函數(shù)。好，現(xiàn)在我們從cdev_add()開始一層層的扒。

cdev_map對(duì)象

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

內(nèi)核中關(guān)于字符設(shè)備的操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)放在"fs/char_dev.c"中，打開這個(gè)文件，首先注意到就是這個(gè)在內(nèi)核中不常見的靜態(tài)全局變量cdev_map(27)，我們知道，為了提高軟件的內(nèi)聚性，Linux內(nèi)核在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量避免使用全局變量作為函數(shù)間數(shù)據(jù)傳遞的方式，而建議多使用形參列表，而這個(gè)結(jié)構(gòu)體變量在這個(gè)文件中到處被使用，所以它應(yīng)該是描述了系統(tǒng)中所有字符設(shè)備的某種信息，帶著這樣的想法，我們可以在"drivers/base/map.c"中找到kobj_map結(jié)構(gòu)的定義:

//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 };

從中可以看出，kobj_map的核心就是一個(gè)struct probe指針類型、大小為255的數(shù)組，而在這個(gè)probe結(jié)構(gòu)中，第一個(gè)成員next(21)顯然是將這些probe結(jié)構(gòu)通過鏈表的形式連接起來，dev_t類型的成員dev顯然是設(shè)備號(hào)，get(25)和lock(26)分別是兩個(gè)函數(shù)接口，最后的重點(diǎn)來了，void*作為C語(yǔ)言中的萬金油類型，在這里就是我們cdev結(jié)構(gòu)(通過后面的分析可以看出)，所以，這個(gè)cdev_map是一個(gè)struct kobj_map類型的指針，其中包含著一個(gè)struct probe指針類型、大小為255的數(shù)組，數(shù)組的每個(gè)元素指向的一個(gè)probe結(jié)構(gòu)封裝了一個(gè)設(shè)備號(hào)和相應(yīng)的設(shè)備對(duì)象(這里就是cdev)，可見，這個(gè)cdev_map封裝了系統(tǒng)中的所有的cdev結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的設(shè)備號(hào)，最多為255個(gè)字符設(shè)備。

cdev_add

了解了cdev_map的功能，我們就可以一探cdev_add()

//fs/char_dev.c456 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 }

函數(shù)很短，(460-461)就是將我們之前獲得設(shè)備號(hào)和設(shè)備號(hào)長(zhǎng)度填充到cdev結(jié)構(gòu)中，kobject_get()(468)也沒做什么事:

//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，核心工作顯然是交給了kobj_map()

kobj_map()

這個(gè)函數(shù)在內(nèi)核的設(shè)備管理中占有重要的地位，這里我們只從字符設(shè)備的角度分析它的功能，先上實(shí)現(xiàn)

//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 < n; i++, p++) { 49 p->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 < n; i++, p++, index++) { 58 struct probe **s = &domain->probes[index % 255]; 59 while (*s && (*s)->range < range) 60 s = &(*s)->next; 61 p->next = *s; 62 *s = p; 63 } 64 mutex_unlock(domain->lock); 65 return 0; 66 }

這個(gè)函數(shù)的設(shè)計(jì)也很單純，就是封裝好一個(gè)probe結(jié)構(gòu)并將它的地址放入probes數(shù)組進(jìn)而封裝進(jìn)cdev_map,(48-55)j就是根據(jù)傳入的設(shè)備號(hào)的個(gè)數(shù)，將設(shè)備號(hào)和cdev依次封裝到kmalloc_array分配的n個(gè)probe結(jié)構(gòu)中，(57-63)就是遍歷probs數(shù)組，直到找到一個(gè)值為NULL的元素，再將probe的地址存入probes。至此，我們就將我們的cdev放入的內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，cdev中大量屬性都是由內(nèi)核幫我們填充的。

chrdev_open()

將設(shè)備放入的內(nèi)核，我們?cè)賮砜纯磧?nèi)核是怎么找到一個(gè)特定的cdev的，對(duì)一個(gè)字符設(shè)備的訪問流程大概是：文件路徑=>inode=>chrdev_open=>cdev->fops->my_chr_open。所以只要通過VFS找到了inode，就可以找到chrdev_open()，這里我們就來關(guān)注一個(gè)chrdev_open()是怎么從內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中找到我們的cdev并回調(diào)里滿的my_chr_open()的。首先，chrdev_open()嘗試將inode->i_cdev（一個(gè)cdev結(jié)構(gòu)指針）保存在局部變量p中(359)，如果p為空，即inode->i_cdev為空(360)，我們就根據(jù)inode->i_rdev（設(shè)備號(hào)）通過kobj_lookup搜索cdev_map，并返回與之對(duì)應(yīng)kobj(364)，由于kobject是cdev的父類，我們根據(jù)container_of很容易找到相應(yīng)的cdev結(jié)構(gòu)并將其保存在inode->i_cdev中(367)，找到了cdev，我們就可以將inode->devices掛接到inode->i_cdev的管理鏈表中，這樣下次就不用重新搜索，直接cdev_get()即可(378)。找到了我們的cdev結(jié)構(gòu)，我們就可以將其中的操作方法集inode->i_cdev->ops傳遞給filp->f_ops(386-390)，這樣，我們就可以回調(diào)我們的設(shè)備打開函數(shù)my_chr_open()(392);

//fs/char_dev.c326 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 while370 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 }

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