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前言

这段时间在处理一个diagnose-tools 工具的一个问题，发现diagnose-tools 会在某些情况导致下导致内核模块加载失败， 在测试中发现原来 /sys/class 这个目录都没有，导致后面的模块加载失败了。

通过这个issue吧，算是初步理解了字符设备的使用和背后的原理吧，字符设备看起来使用简单，创建一个cdev，一个class, 一个device 然后关联起来就可以了，实际上背后的逻辑还是有点复杂了，牵涉到了 Linux 设备驱动管理这一大块知识点，下面我把针对字符设备的相关内容整理梳理下。

1、设备模型分析

sysfs 文件系统

sysfs 文件系统是一个类似于proc的基于内存的文件系统，用于将内核中的设备组织成层次化的结构，并把内核设备的详细数据以用户态的文件形式层次化的展示出来。其顶层目录主要有：

block 目录:  包含所有的块设备

device 目录: 包含系统所有设备，并根据设备挂接的总线类型来层次化展示。

bus 目录: 包含系统中所有的总线类型

drivers 目录: 包含系统中所有已注册的设备驱动

class 目录: 系统中的设备类型（如磁盘，网卡，声卡)

sysfs文件系统是一个虚拟的并且存在内存中的，所以重启后，就会丢失，它提供了一些方法，可以把内核中的数据结构、属性和用户空间相互链接。mount -t sysfs sysfs /sys 来把 sysfs 文件系统挂载到根目录下的 sys 目录，当然也可以手动挂载到其它目录。

总线、设备、驱动、类之间关系如图下所示：

图1：总线、设备、驱动、类之间关系

       关键数据结构

       kobject, kset

       kobject

       在sysfs里显示的每一个目录都对应一个 kobject ，sysfs目录下的树状结构是通过kobject建立连接的， kobject通过大量的链接构成一个多层次的体系结构，kobject的层次结构可以说是代表了linux设备模型，是linux设备模型的基本结构。

struct kobject {	const char		*name;           //设备名称	struct list_head	entry;       //用于kobject之间组成双向链表，与该kobject所属的kset里的list形成双向链表	struct kobject		*parent;     //指向父对象	struct kset		*kset;           //指向所属kset的指针	struct kobj_type	*ktype;      //kobject类型结构体，包含kobject属性和销毁方法等    struct kernfs_node	*sd;         //在sysfs中的路径	struct kref		kref;            //引用计数，当为0的时候，就会被删除	unsigned int state_initialized:1; //初始化状态，同时对kobject操作进步异常验证	unsigned int state_in_sysfs:1;    //在sysfs中kobject的状态	unsigned int state_add_uevent_sent:1;    //记录用户态上报的状态，仅记录是否上报，上报后是否被接收不是该字段关心的	unsigned int state_remove_uevent_sent:1;  //同上	unsigned int uevent_suppress:1;           //如果该字段为1，表示忽略所有上报的uevent事件};

       其中的kref域表示该对象引用的计数,内核通过kref实现对象引用计数管理,内核提供两个函数kobject-get()、kobject-put(),分别用于增加和减少引用计数,当引用计数为0时,所有该对象使用的资源将被释放。

       在创建kobject的时候，会通过 kobject_add_internal 方法建立 kobject 与 kset 之间的连接，在这里还是对 parent 的设置，如果没有传入parent，那么该kobject的parent就设置为 kset 的 kobj,在这里 kset 的作用出现了。

static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj){	struct kobject *parent;	parent = kobject_get(kobj->parent);	/* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */	if (kobj->kset) {		if (!parent)			parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);		kobj_kset_join(kobj);		kobj->parent = parent;	}    在这里还是对 parent 的设置，如果没有传入parent，那么该kobject的parent就设置为 kset 的 kobj,在这里 kset 的作用出现了。    ........}

       cdev

 对于kobject结构体，单独使用意义不大，linux通过将object嵌入到某个结构体中，这样这些结构体就能用到kobject结构体，比如字符设备 <linux/cdev.h> 中的 struct cdev 结构体，一个 cdev 结构体代表着一个字符设备。

struct cdev {	struct kobject kobj;    //嵌入kobject 结构体	struct module *owner;   //所属模块	const struct file_operations *ops;  //file operation	struct list_head list;	dev_t dev;	unsigned int count;};

把 kobject嵌入到某个结构体中后，它就拥有了kobject的标准功能。更重要的是，拥有了kobj成员可以便其成为设备模型架构对象中的一部分。通过 cdev->kobj.parent 指向所属 kset->kobj，并且把 cdev->kobj.entry和 cdev->kobj.kset.list 建立链接，使其建立层次结构。

       kset

kobject 通常通过 kset 组织成层次化的结构，kset 是具有相同类型的 kobject 的集合。

struct kset {	struct list_head list;   //这是一个链表头，和属于kset的kobject组成双向链表	spinlock_t list_lock;    //自旋锁，用于访问时链表时同步	struct kobject kobj;     //内嵌的kobject对象，所有属于这个kset的kobject的parent都指向这个内嵌的kobj, 此外，kset还依赖kobj维护引用计数，kset的引用计数实际上就是内嵌kobj的引用计数	const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; //kobject创建或被删除时会产生事件，kobject所属的kset过滤事件或给用户空间传递信息};

图2 kobject和kset 对应关系

    设备模型组件

          devices 组件

              系统中任一设备类型都由一个struct device 结构体来描述。同时又向sysfs注册一个kset，即devices (/sys/devices)，这个就表示系统中所有设备所在的kset。

struct device {	struct device		*parent;     //指向父设备，在字符设备里这个值为空，不用关注	struct kobject kobj;            //内嵌一个kobject对象	const char		*init_name;     /* initial name of the device */	const struct device_type *type;	struct bus_type	*bus;		/* type of bus device is on */	struct device_driver *driver;	/* which driver has allocated this					   device */	u32			id;	/* device instance */	struct class		*class;    //指向设备所属的类    void (*release) (struct device *dev);   //释放设备时所调用的方法    .......};

           classes 组件

系统中的设备类由 struct class 描述，表示某一类设备，对应于sysfs文件系统中的 /sys/class 目录。

class 是一个设备的高层视图，它抽象出了底层的实现细节，从而允许用户空间使用设备所提供的功能，而不用关心设备是如何工作的。在class中，设备是按功能来归类，比如网卡，网卡，磁盘。很多设备并不属于某个总线，比如我们的字符设备就不属于某个总线，所以我们这里也不介绍总线相关的知识，不属于总线的设备，在管理方面不同于属于总线的设备。虽然不属于总线，但是字符设备归属于某个确定的class。

struct class {	const char		*name;          //类名	struct module		*owner;     //模块名	struct kobject			*dev_kobj;   //内嵌kobject，表示该类设备的引用计数管理	void (*class_release)(struct class *class);   //释放class调用函数，在创建class时指定	void (*dev_release)(struct device *dev);	int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);	int (*resume)(struct device *dev);	struct subsys_private *p;};

其中 struct subsys_private *p 是代表类的集合

struct subsys_private {	struct kset subsys;	struct list_head interfaces;   //interfaces是一个链表头，用来链接class上的各个接口，字符设备这里相当于是空的。	struct class *class;    .......};

类的创建会在 sysfs 文件系统的 class 目录下创建一个该类名的目录。

下面说明了设备模型对设备的管理

图3 设备模型

2、字符设备驱动开发

      字符设备驱动重要的数据结构

         字符设备的特点是以字节为单位，顺序传输，键盘，鼠标以及打印机都是属于字符设备，都可以用文件的形式表达出来，所以它的关键数据结构也和文件差不多，它们分别是file_operations, file, inode，以文件的方式提供给用户空间使用。这里不细列这些普通的文件类数据结构了。

      字符设备的接口

      字符设备使用struct cdev 结构体描述字符设备， struct cdev 定义在文件 linux/cdev.h 中

struct cdev {	struct kobject kobj;   //内嵌的kobject对象，用于对该设备的线用计数	struct module *owner;  //所属模块指针	const struct file_operations *ops;  //文件操作结构体指针，该设备操作对应的VFS的接口函数	struct list_head list;  	dev_t dev;   //设备号，一个32位数据，高12位为主设备号，低20位为次设备号	unsigned int count;};

      cdev里的kobj->parent，在cdev里没有赋值，是个空0x0，和struct class里的kobj->parent 指向 kset->kobj 不一样。当cdev里的kobj->parent时为空时，parent_kobj = virtual_device_parent(dev); 会指定一个parent设备为 virtual。

      字符设备驱动的组成

         字符设备驱动可以简单概括为两部分

         1、字符设备的加载和卸载

         2、字符设备对应的文件系统操作函数

部分代码流程分析

register_chrdev

     register_chrdev

         __register_chrdev_region   找到合适的chrdevs，获取字符设备的设备编号，并初始化 char_device_struct.

        cdev = cdev_alloc();    初始化 cdev 结构体

        err = cdev_add     给cdev结构体赋相应值，这里并没有创建文件或者文件夹

class_create

     class_create    创建并初始化class 结构体

        __class_register

           kset_register

               kobject_add_internal(&k->kobj);

device_create

     device_create   

        device_create_groups_vargs  创建 struct dev 结构体

            device_register -> device_add

                  kobj = get_device_parent(dev, parent);    创建 /sys/devices 下的 device parent目录，并指定 parent，字符设备的parent 是 virtual 

                 device_create_file    创建 device 

                device_add_class_symlinks     建立 device 和 class 的软链

创建字符设备例子

 以下基于diagnose-tools 的代码写了个创建字符设备的例子，方便快速掌握字符设备的使用。

/* * 简单的字符设备例子 * * Copyright (C) 2020 wllabs. * * 作者: wllabs 
   
     * * License terms: GNU General Public License (GPL) version 3 * */#include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          #include 
          
           #include "uapi/diagnose.h"#define DIAG_DEV_NAME "wl-diagnose-tools"#define DIAG_IOCTL_TYPE_TEST 1static int diag_dev_major = -1;static struct class *diag_dev_class = NULL;static struct device *diag_dev = NULL;struct diag_dev { struct cdev cdev;};static long diag_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg){ int ret = -EINVAL; int type, nr; type = _IOC_TYPE(cmd); nr = _IOC_NR(cmd); switch (type) { case DIAG_IOCTL_TYPE_TEST: if (nr == 1) { struct diag_ioctl_test val; ret = copy_from_user(&val, (void *)arg, sizeof(struct diag_ioctl_test)); if (!ret) { val.out = val.in + 1; ret = copy_to_user((void *)arg, &val, sizeof(struct diag_ioctl_test)); } } break; default: break; } return ret;}static int diag_open(struct inode *inode, struct file *file){ __module_get(THIS_MODULE); return 0;}static int diag_release(struct inode *inode, struct file *file){ module_put(THIS_MODULE); return 0;}static const struct file_operations diag_fops = { .open = diag_open, .release = diag_release, .unlocked_ioctl = diag_ioctl,};static char *diag_devnode(struct device *dev, umode_t *mode){ if (mode) *mode = S_IRUGO | S_IRWXUGO | S_IALLUGO; return kstrdup("wl-diagnose-tools", GFP_KERNEL);;}int diag_dev_init(void){ int ret = 0; diag_dev_major = register_chrdev(0, DIAG_DEV_NAME, &diag_fops);; if (diag_dev_major < 0) { printk("wl-diagnose-tools: failed to register device\n"); return diag_dev_major; } diag_dev_class = class_create(THIS_MODULE, DIAG_DEV_NAME); if (IS_ERR(diag_dev_class)) { ret = PTR_ERR(diag_dev_class); printk(KERN_ERR "wl-diagnose-tools: class_create err=%d", ret); unregister_chrdev(diag_dev_major, DIAG_DEV_NAME); return ret; } diag_dev_class->devnode = diag_devnode; diag_dev = device_create(diag_dev_class, NULL, MKDEV(diag_dev_major, 0), NULL, DIAG_DEV_NAME); if (IS_ERR(diag_dev)) { ret = PTR_ERR(diag_dev); printk(KERN_ERR "wl-diagnose-tools: device_create err=%d", ret); unregister_chrdev(diag_dev_major, DIAG_DEV_NAME); class_destroy(diag_dev_class); return ret; } return 0;}void diag_dev_cleanup(void){ if (diag_dev_major >= 0) { unregister_chrdev(diag_dev_major, DIAG_DEV_NAME); } if (diag_dev != NULL) { device_destroy(diag_dev_class, MKDEV(diag_dev_major, 0)); } if (diag_dev_class != NULL) { class_destroy(diag_dev_class); } diag_dev_major = -1; diag_dev = NULL; diag_dev_class = NULL;}static int __init diagnosis_init(void){ int ret = 0; ret = diag_dev_init(); if (ret) goto out_dev; printk("wl-diagnose-tools in diagnosis_init\n"); return 0;out_dev: return ret;}static void __exit diagnosis_exit(void){ printk("wl-diagnose-tools in diagnosis_exit\n"); diag_dev_cleanup();}module_init(diagnosis_init);module_exit(diagnosis_exit);MODULE_DESCRIPTION("Alibaba performance monitor module");MODULE_AUTHOR("wllabs 
           
            ");MODULE_LICENSE("GPL v2");
           
          
         
        
       
      
     
    
   

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