图解kset,kobject,subsys

 linux设备模型方面是驱动中比较高级的一块内容，对于刚开始学习驱动开发人员来说开始必须掌握驱动模型的编写框架和常用函数，当设备模型框架熟悉之 后，就可以进入研究设备模型的实现。进入设备之前，我们必须搞清楚subsys，kset，kobject等概念。理清楚它们的结构，整个设备模型就了然 了。

              学习前的须知：

       Linux设备模型的目的是：为内核建立起一个统一的设备模型，从而有一个对系统结构的一般性抽象描述。

现在内核使用设备模型支持多种不同的任务：
电源管理和系统关机 ：这些需要对系统结构的理解，设备模型使OS能以正确顺序遍历系统硬件。

与用户空间的通讯 ：sysfs 虚拟文件系统的实现与设备模型的紧密相关, 并向外界展示它所表述的结构。向用户空间提供系统信息、改变操作参数的接口正越来越多地通过 sysfs ， 也就是设备模型来完成。

热插拔设备

设备类型：设备模型包括了将设备分类的机制，在一个更高的功能层上描述这些设备, 并使设备对用户空间可见。

对象生命周期：设备模型的实现需要创建一系列机制来处理对象的生命周期、对象间的关系和对象在用户空间的表示。

Linux 设备模型是一个复杂的数据结构。但对模型的大部分来说, Linux 设备模型代码会处理好这些关系, 而不是把他们强加于驱动作者。模型隐藏于交互的背后，与设备模型的直接交互通常由总线级的逻辑和其他的内核子系统处理。所以许多驱动作者可完全忽略设备模 型, 并相信设备模型能处理好他所负责的事。

     进入正题，下面我们先上图大概了解下subsys，kset，kobject三者的关系：

        

                          图1：subsys，kset，kobject关系图

     如图1所示：总线的subsys子系统通过链表list连接。Kset与所需的kobject集合也同样是链表相连接。关系图简单反映这3者得层次关系。 为了更清楚说明这3者关系我们查看/sys下的目录结构（在设备模型中，设备驱动总线会反映在/sys目录下，这点不清楚参见上面的参考资料）：

补充资料：
localhost:/sys#ls /sys/
block/ bus/ class/ devices/ firmware/ kernel/ module/ power/
Block目录：包含所有的块设备
Devices目录：包含系统所有的设备，并根据设备挂接的总线类型组织成层次结构
Bus目录：包含系统中所有的总线类型
Drivers目录：包括内核中所有已注册的设备驱动程序
Class目录：系统中的设备类型（如网卡设备，声卡设备等） 

 

   下面图2是/sys目录下usb总线，设备，驱动的关系图:

                                        

                                  图2  usb 总线，设备，驱动

     总线上面有都有两条线，1.是drivers（驱动）2.devices（设备）。设备或者驱动加载都会注册加入对应的总线，并且这两者通过总线上能够匹配合适的驱动和设备。

     说了上面这些关于设备模型的概念我们在转回kset，kobject上面来。我们很多人学习设备模型都在考虑这么一个问题：kset，kobject这些是怎么将设备模型实现起来的呢，又是怎么个关系呢？好的带着这个疑问我们进入图3：

                                                                     

                                                                                                           图3：设备与kset，kobject关系

 

     图3中第一层是sysfs文件系统的/sys目录；第二层是设备kset集合，通过链表将所有顶层kset链接起来。第三层是kobject集合，这些 kobject通过链表与kset相连接，其中一种kset能够索引指向他的kobject。第四层是一个kobject里面的内容，包括资源属性等。

   图4更简单图片表示这些结构体的层次关系：

                                                                                

                                                                                      图4：设备模型的层次关系

 

上面我们已经从总体上浏览了设备模型的结构，下面进行更加细致分析各个结构的关系这里我引用网上一个文档说明：

1 Kobject
Kobject 是Linux 2.6引入的新的设备管理机制，在内核中由struct kobject表示。通过这个数据结构使所有设备在底层都具有统一的接口，kobject提供基本的对象管理，是构成Linux2.6设备模型的核心结 构，它与sysfs文件系统紧密关联，每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件系统中的一个目录。Kobject是组成设备模型的基 本结构。类似于C++中的基类，它嵌入于更大的对象的对象中--所谓的容器--用来描述设备模型的组件。如bus,devices, drivers 都是典型的容器。这些容器就是通过kobject连接起来了，形成了一个树状结构。这个树状结构就与/sys向对应。
kobject 结构为一些大的数据结构和子系统提供了基本的对象管理，避免了类似机能的重复实现。这些机能包括
- 对象引用计数.
- 维护对象链表(集合).
- 对象上锁.
- 在用户空间的表示.

Kobject结构定义为：
struct kobject {
char * k name; 指向设备名称的指针
char name[KOBJ NAME LEN]; 设备名称
struct kref kref; 对象引用计数
struct list head entry; 挂接到所在kset中去的单元
struct kobject * parent; 指向父对象的指针
struct kset * kset; 所属kset的指针
struct kobj type * ktype; 指向其对象类型描述符的指针
struct dentry * dentry; sysfs文件系统中与该对象对应的文件节点路径指针
};
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释放。Ktype 域是一个指向kobj type结构的指针，表示该对象的类型。

相关函数
void kobject_init(struct kobject * kobj)；kobject初始化函数。
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...)；设置指定kobject的名称。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；将kobj 对象的引用计数加1，同时返回该对象的指针。
void kobject_put(struct kobject * kobj)； 将kobj对象的引用计数减1，如果引用计数降为0，则调用kobject release()释放该kobject对象。
int kobject_add(struct kobject * kobj)；将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中，增加父目录各级kobject的引用计数，在其 parent指向的目录下创建文件节点，并启动该类型内核对象的hotplug函数。
int kobject_register(struct kobject * kobj)；kobject注册函数。通过调用kobject init()初始化kobj，再调用kobject_add()完成该内核对象的注册。
void kobject_del(struct kobject * kobj)；从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象。
void kobject_unregister(struct kobject * kobj)；kobject注销函数。与kobject register()相反，它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象，再调用kobject put()减少该对象的引用计数，如果引用计数降为0，则释放kobject对象。

§2 Kobj type
struct kobj_type {
void (*release)(struct kobject *);
struct sysfs_ops * sysfs_ops;
struct attribute ** default_attrs;
};
Kobj type数据结构包含三个域：一个release方法用于释放kobject占用的资源；一个sysfs ops指针指向sysfs操作表和一个sysfs文件系统缺省属性列表。Sysfs操作表包括两个函数store()和show()。当用户态读取属性 时，show()函数被调用，该函数编码指定属性值存入buffer中返回给用户态；而store()函数用于存储用户态传入的属性值。
attribute
struct attribute {
char * name;
struct module * owner;
mode_t mode;
};
attribute, 属性。它以文件的形式输出到sysfs的目录当中。在kobject对应的目录下面。文件
名就是name。文件读写的方法对应于kobj type中的sysfs ops。

§3. kset
kset最重要的是建立上层(sub-system)和下层的(kobject)的关联性。kobject 也会利用它了分辨自已是属于那一個类型，然後在/sys 下建立正确的目录位置。而kset 的优先权比较高，kobject会利用自已的*kset 找到自已所属的kset，並把*ktype 指定成該kset下的ktype，除非沒有定义kset，才会用ktype來建立关系。Kobject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，在内核中用kset数据结构表示，定义为：
struct kset {
struct subsystem * subsys; 所在的subsystem的指针
struct kobj type * ktype; 指向该kset对象类型描述符的指针
struct list head list; 用于连接该kset中所有kobject的链表头
struct kobject kobj; 嵌入的kobject
struct kset hotplug ops * hotplug ops; 指向热插拔操作表的指针
};
包含在kset中的所有kobject被组织成一个双向循环链表，list域正是该链表的头。Ktype域指向一个kobj type结构，被该kset中的所有kobject共享，表示这些对象的类型。Kset数据结构还内嵌了一个kobject对象（由kobj域表示），所 有属于这个kset 的kobject对象的parent域均指向这个内嵌的对象。此外，kset还依赖于kobj维护引用计数：kset的引用计数实际上就是内嵌的 kobject对象的引用计数。
见图1，kset与kobject的关系图

 

这幅图很经典，她反映了整个kobject的连接情况。

相关函数
与kobject 相似，kset_init()完成指定kset的初始化，kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。 Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除；kset_register()函数完成 kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。

§4 subsystem
如果說kset 是管理kobject 的集合，同理，subsystem 就是管理kset 的集合。它描述系统中某一类设备子系统，如block subsys表示所有的块设备，对应于sysfs文件系统中的block目录。类似的，devices subsys对应于sysfs中的devices目录，描述系统中所有的设备。Subsystem由struct subsystem数据结构描述，定义为：
struct subsystem {
struct kset kset; 内嵌的kset对象
struct rw semaphore rwsem; 互斥访问信号量
};

可以看出，subsystem与kset的区别就是多了一个信号量，所以在后来的代码中，subsystem已经完全被kset取缔了。

每个kset属于某个subsystem，通过设置kset结构中的subsys域指向指定的subsystem可以将一个kset加入到该subsystem。所有挂接到同一subsystem的kset共享同一个rwsem信号量，用于同步访问kset中的链表。
相关函数
subsystem有一组类似的函数，分别是：
void subsystem_init(struct subsystem *subsys);
int subsystem_register(struct subsystem *subsys);
void subsystem_unregister(struct subsystem *subsys);
struct subsystem *subsys_get(struct subsystem *subsys)
void subsys_put(struct subsystem *subsys);

 

 到这里我们就可以进入具体的函数进行分析。最后用一张图片来总结下这kobject，kset，subsys在设备模型中结构：