详解Linux设备模型(4)_sysfs

1. 前言

sysfs是一种基于RAM的文件系统，它与Kobject结合使用，能够将Kernel的数据结构以及属性导出到用户空间，以文件目录结构的形式提供对这些数据结构的访问支持。

sysfs拥有文件系统的所有属性，但本文主要关注其在Linux设备模型中的特性。因此，不会涉及过多的文件系统实现细节，而只介绍sysfs在设备模型中的作用和使用方法。具体包括：

• sysfs与Kobject的关系
• 属性(attribute)的概念
• sysfs的文件系统操作接口

2. sysfs和Kobject的关系

在”Linux设备模型_Kobject”文章中，有提到过，每一个Kobject，都会对应sysfs中的一个目录。因此在将Kobject添加到Kernel时，create_dir接口会调用sysfs文件系统的创建目录接口，创建和Kobject对应的目录，相关的代码如下：

 1: /* lib/kobject.c, line 47 */
 2: static int create_dir(struct kobject *kobj)
 3: {
 4:     int error = 0;
 5:     error = sysfs_create_dir(kobj);
 6:     if (!error) {
 7:         error = populate_dir(kobj);
 8:     if (error)
 9:         sysfs_remove_dir(kobj);
 10:     }   
 11:     return error;
 12: }
 13:  
 14: /* fs/sysfs/dir.c, line 736 */
 15: **
 16: *  sysfs_create_dir - create a directory for an object.
 17: *  @kobj:      object we're creating directory for. 
 18: */
 19: int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
 20: {
 21:     enum kobj_ns_type type;
 22:     struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;
 23:     const void *ns = NULL;
 24:     int error = 0;
 25:     ...
 26: }

3. attribute

3.1 attribute的功能概述

在sysfs中，为什么会有attribute的概念呢？其实它是对应kobject而言的，指的是kobject的“属性”。我们知道，

sysfs中的目录描述了kobject，而kobject是特定数据类型变量（如struct device）的体现。因此kobject的属性，就是这些变量的属性。它可以是任何东西，名称、一个内部变量、一个字符串等等。而attribute，在sysfs文件系统中是以文件的形式提供的，即：kobject的所有属性，都在它对应的sysfs目录下以文件的形式呈现。这些文件一般是可读、写的，而kernel中定义了这些属性的模块，会根据用户空间的读写操作，记录和返回这些attribute的值。

总结一下：所谓的attibute，就是内核空间和用户空间进行信息交互的一种方法。例如某个driver定义了一个变量，却希望用户空间程序可以修改该变量，以控制driver的运行行为，那么就可以将该变量以sysfs attribute的形式开放出来。

Linux内核中，attribute分为普通的attribute和二进制attribute，如下：

 1: /* include/linux/sysfs.h, line 26 */
 2: struct attribute {
 3:     const char *name;
 4:     umode_t         mode;
 5: #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
 6:     bool ignore_lockdep:1;
 7:     struct lock_class_key   *key;
 8:     struct lock_class_key   skey;
 9: #endif
 10: };
 11:  
 12: /* include/linux/sysfs.h, line 100 */
 13: struct bin_attribute {
 14:     struct attribute    attr;
 15:     size_t          size;
 16:     void *private;
 17:     ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,
 18:                     char *, loff_t, size_t);
 19:     ssize_t (*write)(struct file *,struct kobject *, struct bin_attribute *,
 20:                     char *, loff_t, size_t);
 21:     int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
 22:                     struct vm_area_struct *vma);
 23: };

struct attribute为普通的attribute，使用该attribute生成的sysfs文件，只能用字符串的形式读写（后面会说为什么）。而struct bin_attribute在struct attribute的基础上，增加了read、write等函数，因此它所生成的sysfs文件可以用任何方式读写。

说完基本概念，我们要问两个问题：

Kernel怎么把attribute变成sysfs中的文件呢？

用户空间对sysfs的文件进行的读写操作，怎么传递给Kernel呢？

下面来看看这个过程。

3.2 attibute文件的创建

在linux内核中，attibute文件的创建是由fs/sysfs/file.c中sysfs_create_file接口完成的，该接口的实现没有什么特殊之处，大多是文件系统相关的操作，和设备模型没有太多的关系，这里先略过不提。

3.3 attibute文件的read和write

看到3.1章节struct attribute的原型时，也许我们会犯嘀咕，该结构很简单啊，name表示文件名称，mode表示文件模式，其它的字段都是内核用于debug Kernel Lock的，那文件操作的接口在哪里呢？

不着急，我们去fs/sysfs目录下看看sysfs相关的代码逻辑。

所有的文件系统，都会定义一个struct file_operations变量，用于描述本文件系统的操作接口，sysfs也不例外：

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 472 */
 2: const struct file_operations sysfs_file_operations = {
 3:     .read       = sysfs_read_file,
 4:     .write      = sysfs_write_file,
 5:     .llseek     = generic_file_llseek,
 6:     .open       = sysfs_open_file,
 7:     .release    = sysfs_release,
 8:     .poll       = sysfs_poll,
 9: };

attribute文件的read操作，会由VFS转到sysfs_file_operations的read（也就是sysfs_read_file）接口上，让我们大概看一下该接口的处理逻辑。

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 127 */
 2: static ssize_t
 3: sysfs_read_file(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
 4: {
 5:     struct sysfs_buffer * buffer = file->private_data;
 6:     ssize_t retval = 0;
 7:  
 8:     mutex_lock(&buffer->mutex);
 9:     if (buffer->needs_read_fill || *ppos == 0) {
 10:        retval = fill_read_buffer(file->f_path.dentry,buffer);
 11:        if (retval)
 12:            goto out;
 13:    }
 14: ...
 15: }
 16: /* fs/sysfs/file.c, line 67 */
 17: static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)
 18: {           
 19:    struct sysfs_dirent *attr_sd = dentry->d_fsdata;
 20:    struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
 21:    const struct sysfs_ops * ops = buffer->ops;
 22:    ...        
 23:    count = ops->show(kobj, attr_sd->s_attr.attr, buffer->page);
 24:    ...
 25: }

“

read处理看着很简单，sysfs_read_file从file指针中取一个私有指针（注：大家可以稍微留一下心，私有数据的概念，在VFS中使用是非常普遍的），转换为一个struct sysfs_buffer类型的指针，以此为参数（buffer），转身就调用fill_read_buffer接口。

而fill_read_buffer接口，直接从buffer指针中取出一个struct sysfs_ops指针，调用该指针的show函数，即完成了文件的read操作。

那么后续呢？当然是由ops->show接口接着处理咯。而具体怎么处理，就是其它模块（例如某个driver）的事了，sysfs不再关心（其实，Linux大多的核心代码，都是只提供架构和机制，具体的实现，也就是苦力，留给那些码农吧！这就是设计的魅力）。

不过还没完，这个struct sysfs_ops指针哪来的？好吧，我们再看看open(sysfs_open_file)接口吧。

”

 1: /* fs/sysfs/file.c, line 326 */
 2: static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
 3: {
 4:     struct sysfs_dirent *attr_sd = file->f_path.dentry->d_fsdata;
 5:     struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
 6:     struct sysfs_buffer *buffer;
 7:     const struct sysfs_ops *ops;
 8:     int error = -EACCES;
 9:  
 10:    /* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */
 11:    if (!sysfs_get_active(attr_sd))
 12:    return -ENODEV;
 13:  
 14:    /* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */
 15:    if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)
 16:        ops = kobj->ktype->sysfs_ops;
 17:    else {
 18:        WARN(1, KERN_ERR "missing sysfs attribute operations for "
 19:            "kobject: %s\n", kobject_name(kobj));
 20:        goto err_out;
 21:    }
 22:  
 23:    ...
 24:  
 25:    buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);
 26:    if (!buffer)
 27:        goto err_out;
 28:  
 29:    mutex_init(&buffer->mutex);
 30:    buffer->needs_read_fill = 1;
 31:    buffer->ops = ops;
 32:    file->private_data = buffer;
 33:    ...
 34: }

“

哦，原来和ktype有关系。这个指针是从该attribute所从属的kobject中拿的。再去看一下”Linux设备模型_Kobject”中ktype的定义，还真有一个struct sysfs_ops的指针。

我们注意一下14行的注释以及其后代码逻辑，如果从属的kobject（就是attribute文件所在的目录）没有ktype，或者没有ktype->sysfs_ops指针，是不允许它注册任何attribute的！

经过确认后，sysfs_open_file从ktype中取出struct sysfs_ops指针，并在随后的代码逻辑中，分配一个struct sysfs_buffer类型的指针（buffer），并把struct sysfs_ops指针保存在其中，随后（注意哦），把buffer指针交给file的private_data，随后read/write等接口便可以取出使用。嗯！惯用伎俩！

”

顺便看一下struct sysfs_ops吧，我想你已经能够猜到了。

 1: /* include/linux/sysfs.h, line 124 */
 2: struct sysfs_ops {
 3:     ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
 4:     ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
 5:     const void *(*namespace)(struct kobject *, const struct attribute *);
 6: };

attribute文件的write过程和read类似，这里就不再多说。另外，上面只分析了普通attribute的逻辑，而二进制类型的呢？也类似，去看看fs/sysfs/bin.c吧，这里也不说了。

讲到这里，应该已经结束了，事实却不是如此。上面read/write的数据流，只到kobject（也就是目录）级别哦，而真正需要操作的是attribute（文件）啊！这中间一定还有一层转换！确实，不过又交给其它模块了。 下面我们通过一个例子，来说明如何转换的。

4. sysfs在设备模型中的应用总结

让我们通过设备模型class.c中有关sysfs的实现，来总结一下sysfs的应用方式。

首先，在class.c中，定义了Class所需的ktype以及sysfs_ops类型的变量，如下：

 1: /* drivers/base/class.c, line 86 */
 2: static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = {
 3:     .show      = class_attr_show,
 4:     .store     = class_attr_store,
 5:     .namespace = class_attr_namespace,
 6: };  
 7: 
 8: static struct kobj_type class_ktype = {
 9:     .sysfs_ops  = &class_sysfs_ops,
 10:    .release    = class_release,
 11:    .child_ns_type  = class_child_ns_type,
 12: };

由前面章节的描述可知，所有class_type的Kobject下面的attribute文件的读写操作，都会交给class_attr_show和class_attr_store两个接口处理。以class_attr_show为例：

 1: /* drivers/base/class.c, line 24 */
 2: #define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)
 3:  
 4: static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
 5: char *buf)
 6: {   
 7:     struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);
 8:     struct subsys_private *cp = to_subsys_private(kobj);
 9:     ssize_t ret = -EIO;
 10:  
 11:    if (class_attr->show)
 12:    ret = class_attr->show(cp->class, class_attr, buf);
 13:    return ret;
 14: }

该接口使用container_of从struct attribute类型的指针中取得一个class模块的自定义指针：struct class_attribute，该指针中包含了class模块自身的show和store接口。下面是struct class_attribute的声明：

 1: /* include/linux/device.h, line 399 */
 2: struct class_attribute {
 3:     struct attribute attr;
 4:     ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
 5:                     char *buf);
 6:     ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
 7:                     const char *buf, size_t count);
 8:     const void *(*namespace)(struct class *class,
 9:                                 const struct class_attribute *attr); 
 10: };

因此，所有需要使用attribute的模块，都不会直接定义struct attribute变量，而是通过一个自定义的数据结构，该数据结构的一个成员是struct attribute类型的变量，并提供show和store回调函数。然后在该模块ktype所对应的struct sysfs_ops变量中，实现该本模块整体的show和store函数，并在被调用时，转接到自定义数据结构（struct class_attribute）

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