register_chrdev_region函数源码分析

如何找到一个有效的切入点去深入分析内核源码，这是一个令人深思的问题。本文以前文 中未详细说明的函数为切入点，深入分析char_dev.c文件的代码。如果你已经拥有了C语言基础和一些数据结构基础，那么还等什么？Let’s go！

在《字符设备驱动分析》一文中，我们说到register_chrdev_region函数的功能是在已知起始设备号的情况下去申请一组连续的设备 号。不过大部分驱动书籍都没有去深入说明此函数，可能是因为这个函数内部封装了__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name)函数的原因。不过我们不用苦恼，这正好促使我们去分析这个函数。

01 194int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
02   195{
03   196        struct char_device_struct *cd;
04   197        dev_t to = from + count;
05   198        dev_t n, next;
06   199
07   200        for (n = from; n </ to; n = next) {
08   201                next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
09   202                if (next >/ to)
10   203                        next = to;
11   204                cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
12   205                               next - n, name);
13   206                if (IS_ERR(cd))
14   207                        goto fail;
15   208        }
16   209        return 0;
17   210fail:
18   211        to = n;
19   212        for (n = from; n </ to; n = next) {
20   213                next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
21   214                kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
22   215        }
23   216        return PTR_ERR(cd);
24   217}

首先值得我们注意的是，这个函数每次分配的是一组设备编号。其中from参数是这组连续设备号的起始设备号，count是这组设备号的大小（也是次 设备号的个数），name参数处理本组设备的驱动名称。另外，当次设备号数目过多（count过多）的时候，次设备号可能会溢出到下一个主设备。因此我们 在for语句中可以看到，首先得到下一个主设备号（其实也是一个设备号，只不过此时的次设备号为0）并存储于next中。然后判断在from的基础上再追 加count个设备是否已经溢出到下一个主设备号。如果没有溢出（next小于to），那么整个for语句就只执行个一次 __register_chrdev_region函数；否则当设备号溢出时，会把当前溢出的设备号范围划分为几个小范围，分别调用 __register_chrdev_region函数。

如果在某个小范围调用__register_chrdev_region时出现了失败，那么会将此前分配的设备号都释放。

其实register_chrdev_region函数还没有完全说清除设备号分配的具体过程，因为具体某个小范围的设备号是由 __register_chrdev_region函数来完成的。可能你已经注意到在register_chrdev_region函数源码中出现了 struct char_device_struct结构，我们首先来看这个结构体：

1 50static struct char_device_struct {
2 51        struct char_device_struct *next;
3 52        unsigned int major;
4 53        unsigned int baseminor;
5 54        int minorct;
6 55        char name[64];
7 56        struct cdev *cdev;              /* will die */
8 57} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

在register_chrdev_region函数中，在每个字符设备号的小范围上调用__register_chrdev_region函数， 都会返回一个struct char_device_struct类型的指针。因此我们可以得知，struct char_device_struct类型对应的并不是每一个字符设备，而是具有连续设备号的一组字符设备。从这个结构体内部的字段也可以看出，这组连续 的设备号的主设备号为major，次设备号起始为baseminor，次设备号范围为minorct，这组设备号对应的设备驱动名称为name，cdev 为指向这个字符设备驱动的指针。

这里要特别说明的是，内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为chrdevs散列表里。该散列表中的每一个元素是一个 char_device_struct结构，这个散列表的大小为255（CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE），这是因为系统屏蔽了12位主设 备号的前四位。既然说到散列表，那么肯定会出现冲突现象，因此next字段就是冲突链表中的下一个元素的指针。

接下来我们详细来析__register_chrdev_region函数。首先为cd变量分配内存并用零来填充（这就是用kzalloc而不是kmalloc的原因）。接着通过P操作使得后续要执行的语句均处于临界区。

01 92static struct char_device_struct *
02   93__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
03   94                           int minorct, const char *name)
04   95{
05   96        struct char_device_struct *cd, **cp;
06   97        int ret = 0;
07   98        int i;
08   99
09 100        cd = kzalloc( sizeof ( struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
10 101        if (cd == NULL)
11 102                return ERR_PTR(-ENOMEM);
12 103
13 104        mutex_lock(&chrdevs_lock);

如果major为0，也就是未指定一个具体的主设备号，需要动态分配。那么接下来的if语句就在整个散列表中为这组设备寻找合适的位置，即从散列表 的末尾开始寻找chrdevs[i]为空的情况。若找到后，那么i不仅代表这组设备的主设备号，也代表其在散列表中的关键字。当然，如果主设备号实现已指 定，那么可不去理会这部分代码。

01 105
02 106        /* temporary */
03 107        if (major == 0) {
04 108                for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) {
05 109                        if (chrdevs[i] == NULL)
06 110                                break ;
07 111                }
08 112
09 113                if (i == 0) {
10 114                        ret = -EBUSY;
11 115                        goto out;
12 116                }
13 117                major = i;
14 118                ret = major;
15 119        }

接着对将参数中的值依次赋给cd变量的对应字段。当主设备号非零，即事先已知的话，那么还要通过major_to_index函数对其进行除模255运算，因此整个散列表关键字的范围是0～254。

1 120
2 121        cd->major = major;
3 122        cd->baseminor = baseminor;
4 123        cd->minorct = minorct;
5 124        strlcpy(cd->name, name, sizeof (cd->name));
6 125
7 126        i = major_to_index(major);

至此，我们通过上面的代码会得到一个有效的主设备号（如果可以继续执行下面代码的话），那么接下来还不能继续分配。正如你所知的那样，散列表中的冲 突是在所难免的。因此我们得到major的值后，我们要去便利冲突链表，为当前我们所述的char_device_struct类型的变量cd去寻找正确 的位置。更重要的是，我们要检查当前的次设备号范围，即baseminor~baseminor+minorct，是否和之前的已分配的次设备号（前提是 major相同）范围有重叠。

下面的for循环就是在冲突链表中查找何时的位置，当出现以下三种情况时，for语句会停止。

(1)如果冲突表中正被遍历的结点的主设备号（*(cp)->major）大于我们所分配的主设备号(major)，那么就可以跳出for语句，不再继续查找。此时应该说设备号分配成功了，那么cd结点只需等待被插到冲突链表当中（*cp节点之前）。

(2)如果(*cp)结点和cd结点的主设备号相同，但是前者的次设备号起点比cd结点的大，那么跳出for语句，等待下一步的范围重叠的检测。

(3)如果(*cp)结点和cd结点的主设备号相同，但是cd结点的次设备号起点小于(*cp)结点的次设备号的终点，那么会跳出for语句。此时很可能两个范围的次设备号发生了重叠。

由上面的分析可以看出，冲突表中是按照设备号递增的顺序排列的。

1 127
2 128        for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
3 129                if ((*cp)->major > major ||
4 130                    ((*cp)->major == major &&
5 131                     (((*cp)->baseminor >= baseminor) ||
6 132                      ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))
7 133                        break ;

接下来检测当主设备号相同时，次设备范围是否发生了重叠。首先依次计算出新老次设备号的范围，接着进行范围判断。第一个判断语句是检测新范围的终点是否在老范围的之间；第二个判断语句是检测新范围的起点是否在老范围之间。

01 134
02 135        /* Check for overlapping minor ranges.  */
03 136        if (*cp && (*cp)->major == major) {
04 137                int old_min = (*cp)->baseminor;
05 138                int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
06 139                int new_min = baseminor;
07 140                int new_max = baseminor + minorct - 1;
08 141
09 142                /* New driver overlaps from the left.  */
10 143                if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
11 144                        ret = -EBUSY;
12 145                        goto out;
13 146                }
14 147
15 148                /* New driver overlaps from the right.  */
16 149                if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
17 150                        ret = -EBUSY;
18 151                        goto out;
19 152                }
20 153        }

当一切都正常后，就将char_device_struct描述符插入到中途链表中。至此，一次小范围的设备号分配成功。并且此时离开临界区，进行V操作。如果上述过程中有任何失败，则会跳转到out处，返回错误信息。

01 154
02 155        cd->next = *cp;
03 156        *cp = cd;
04 157        mutex_unlock(&chrdevs_lock);
05 158        return cd;
06 159out:
07 160        mutex_unlock(&chrdevs_lock);
08 161        kfree(cd);
09 162        return ERR_PTR(ret);
10 163}

至此，我们已经分析完了字符设备号分配函数。

转自：http://edsionte.com/techblog/archives/1393