linux设备模型四（attribute）

本博文参考学习自这位博主，其中例子和代码由我添加

http://www.wowotech.net/device_model/dm_sysfs.html

1. 前言

sysfs是一个基于RAM的文件系统，它和kobject一起，可以将kernel的数据结构导出到用户空间，以文件目录结构的形式，提供对这些数据结构（以及数据结构的属性）的访问支持。

sysfs具备文件系统的所有属性，而本文主要侧重其设备模型的特性,因此不会涉及过多的文件系统实现细节，而只介绍sysfs在Linux设备模型中的作用和使用方法。具体包括：

• sysfs和kobject的关系
• attribute的概念
• sysfs的文件系统操作接口

2. sysfs和Kobject的关系

在设备模型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：

static int create_dir(struct kobject *kobj)
{
	int error = 0;
	if (kobject_name(kobj)) {        /* 要创建的目录的名字就是该kobj的名字,所以必须存在 */
		error = sysfs_create_dir(kobj);
		if (!error) {
			error = populate_dir(kobj);
			if (error)
				sysfs_remove_dir(kobj);
		}
	}
	return error;
}



/**
 *	sysfs_create_dir - create a directory for an object.
 *	@kobj:		object we're creating directory for. 
 */
int sysfs_create_dir(struct kobject * kobj)
{
	enum kobj_ns_type type;
	struct sysfs_dirent *parent_sd, *sd;
	const void *ns = NULL;
	int error = 0;

	BUG_ON(!kobj);

	if (kobj->parent)    /* 父节点存在,则把该目录放在其父文件夹下面 */
		parent_sd = kobj->parent->sd;
	else                 /* 父节点不存在,则该目录放在sysfs的根目录下 */
		parent_sd = &sysfs_root;

	if (sysfs_ns_type(parent_sd))
		ns = kobj->ktype->namespace(kobj);
	type = sysfs_read_ns_type(kobj);

	error = create_dir(kobj, parent_sd, type, ns, kobject_name(kobj), &sd);
	if (!error)
		kobj->sd = sd;
	return error;
}

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：

struct attribute {
	const char		*name;
	umode_t			mode;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	bool			ignore_lockdep:1;
	struct lock_class_key	*key;
	struct lock_class_key	skey;
#endif
};

struct bin_attribute {
	struct attribute	attr;
	size_t			size;
	void			*private;
	ssize_t (*read)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,
			char *, loff_t, size_t);
	ssize_t (*write)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *,
			 char *, loff_t, size_t);
	int (*mmap)(struct file *, struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
		    struct vm_area_struct *vma);
};

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：

const struct file_operations sysfs_file_operations = {
	.read		= sysfs_read_file,
	.write		= sysfs_write_file,
	.llseek		= generic_file_llseek,
	.open		= sysfs_open_file,
	.release	= sysfs_release,
	.poll		= sysfs_poll,
};

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。

struct sysfs_open_dirent {
	atomic_t		refcnt;
	atomic_t		event;
	wait_queue_head_t	poll;
	struct list_head	buffers; /* goes through sysfs_buffer.list */
};

struct sysfs_buffer {
	size_t			count;
	loff_t			pos;
	char			* page;
	const struct sysfs_ops	* ops;
	struct mutex		mutex;
	int			needs_read_fill;
	int			event;
	struct list_head	list;
};


/**
 *	sysfs_read_file - read an attribute. 
 *	@file:	file pointer.
 *	@buf:	buffer to fill.
 *	@count:	number of bytes to read.
 *	@ppos:	starting offset in file.
 *
 *	Userspace wants to read an attribute file. The attribute descriptor
 *	is in the file's ->d_fsdata. The target object is in the directory's
 *	->d_fsdata.
 *
 *	We call fill_read_buffer() to allocate and fill the buffer from the
 *	object's show() method exactly once (if the read is happening from
 *	the beginning of the file). That should fill the entire buffer with
 *	all the data the object has to offer for that attribute.
 *	We then call flush_read_buffer() to copy the buffer to userspace
 *	in the increments specified.
 */

static ssize_t
sysfs_read_file(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	struct sysfs_buffer * buffer = file->private_data;
	ssize_t retval = 0;

	mutex_lock(&buffer->mutex);
	if (buffer->needs_read_fill || *ppos == 0) {
		retval = fill_read_buffer(file->f_path.dentry,buffer);
		if (retval)
			goto out;
	}
	pr_debug("%s: count = %zd, ppos = %lld, buf = %sn",
		 __func__, count, *ppos, buffer->page);
	retval = simple_read_from_buffer(buf, count, ppos, buffer->page,
					 buffer->count);
out:
	mutex_unlock(&buffer->mutex);
	return retval;
}



/**
 *	fill_read_buffer - allocate and fill buffer from object.
 *	@dentry:	dentry pointer.
 *	@buffer:	data buffer for file.
 *
 *	Allocate @buffer->page, if it hasn't been already, then call the
 *	kobject's show() method to fill the buffer with this attribute's 
 *	data. 
 *	This is called only once, on the file's first read unless an error
 *	is returned.
 */
static int fill_read_buffer(struct dentry * dentry, struct sysfs_buffer * buffer)
{
	struct sysfs_dirent *attr_sd = dentry->d_fsdata;
	struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
	const struct sysfs_ops * ops = buffer->ops;
	int ret = 0;
	ssize_t count;

	if (!buffer->page)
		buffer->page = (char *) get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
	if (!buffer->page)
		return -ENOMEM;

	/* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */
	if (!sysfs_get_active(attr_sd))
		return -ENODEV;

	buffer->event = atomic_read(&attr_sd->s_attr.open->event);
	count = ops->show(kobj, attr_sd->s_attr.attr, buffer->page);  //真正的读

	sysfs_put_active(attr_sd);

	/*
	 * The code works fine with PAGE_SIZE return but it's likely to
	 * indicate truncated result or overflow in normal use cases.
	 */
	if (count >= (ssize_t)PAGE_SIZE) {
		print_symbol("fill_read_buffer: %s returned bad countn",
			(unsigned long)ops->show);
		/* Try to struggle along */
		count = PAGE_SIZE - 1;
	}
	if (count >= 0) {
		buffer->needs_read_fill = 0;
		buffer->count = count;
	} else {
		ret = count;
	}
	return ret;
}

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。

static int sysfs_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
{
	struct sysfs_dirent *attr_sd = file->f_path.dentry->d_fsdata;
	struct kobject *kobj = attr_sd->s_parent->s_dir.kobj;
	struct sysfs_buffer *buffer;
	const struct sysfs_ops *ops;
	int error = -EACCES;

	/* need attr_sd for attr and ops, its parent for kobj */
    /* 需要其父节点kobj存在,上报一个active */
	if (!sysfs_get_active(attr_sd))
		return -ENODEV;

	/* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */
    /* 每个kobject都要有attribute绑定在其里面的ktype上 */
	if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)
		ops = kobj->ktype->sysfs_ops;
	else {
		WARN(1, KERN_ERR "missing sysfs attribute operations for "
		       "kobject: %sn", kobject_name(kobj));
		goto err_out;
	}

	/* File needs write support.  检查file是否支持写模式
	 * The inode's perms must say it's ok, 
	 * and we must have a store method.
	 */
	if (file->f_mode & FMODE_WRITE) {
		if (!(inode->i_mode & S_IWUGO) || !ops->store)
			goto err_out;
	}

	/* File needs read support.   检查file是否支持读模式
	 * The inode's perms must say it's ok, and we there
	 * must be a show method for it.
	 */
	if (file->f_mode & FMODE_READ) {
		if (!(inode->i_mode & S_IRUGO) || !ops->show)
			goto err_out;
	}

	/* No error? Great, allocate a buffer for the file, and store it
	 * it in file->private_data for easy access. 每次打开读都要分配一个sysfs_buffer ？
	 */
	error = -ENOMEM;
	buffer = kzalloc(sizeof(struct sysfs_buffer), GFP_KERNEL);
	if (!buffer)
		goto err_out;

    /* 初始化申请的sysfs_buffer */
	mutex_init(&buffer->mutex);
	buffer->needs_read_fill = 1;
	buffer->ops = ops;
	file->private_data = buffer;        /* 绑定到file中 */

	/* make sure we have open dirent struct */
	error = sysfs_get_open_dirent(attr_sd, buffer);
	if (error)
		goto err_free;

	/* open succeeded, put active references,打开成功,上报一个active  */
	sysfs_put_active(attr_sd);
	return 0;

 err_free:
	kfree(buffer);
 err_out:
	sysfs_put_active(attr_sd);
	return error;
}

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！

struct sysfs_ops {
	ssize_t	(*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
	ssize_t	(*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
};

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：

static const struct sysfs_ops class_sysfs_ops = {
	.show	= class_attr_show,        
	.store	= class_attr_store,
};

/*  */
static struct kobj_type class_ktype = {
	.sysfs_ops	= &class_sysfs_ops,
	.release	= class_release,
	.child_ns_type	= class_child_ns_type,
};

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：

#define to_class_attr(_attr) container_of(_attr, struct class_attribute, attr)


static ssize_t class_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
			       char *buf)
{
	struct class_attribute *class_attr = to_class_attr(attr);
	struct class_private *cp = to_class(kobj);
	ssize_t ret = -EIO;

	if (class_attr->show)
		ret = class_attr->show(cp->class, class_attr, buf);
	return ret;
}

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：

struct class_attribute {
	struct attribute attr;
	ssize_t (*show)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
			char *buf);
	ssize_t (*store)(struct class *class, struct class_attribute *attr,
			const char *buf, size_t count);
};

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）中的show和store函数中。这样，每个atrribute文件，实际上对应到一个自定义数据结构变量中了。

再看一下attribute，它本身并不具备任何的接口，所以它作为底层和kobject一样，都要绑定在具体的实例（device或driver）中使用。

struct attribute {
	const char		*name;
	struct module		*owner;
	mode_t			mode;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lock_class_key	*key;
	struct lock_class_key	skey;
#endif
};

以led-lcass为例说明attribute是怎么使用的

/*
 * device classes
 */
struct class {
	const char		*name;
	struct module		*owner;

	struct class_attribute		*class_attrs;
	struct device_attribute		*dev_attrs;        /* 我们现在只关注这个,因为下面led类注册时实现了这个 */
	struct kobject			*dev_kobj;

	int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
	char *(*devnode)(struct device *dev, mode_t *mode);

	void (*class_release)(struct class *class);
	void (*dev_release)(struct device *dev);

	int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
	int (*resume)(struct device *dev);

	const struct kobj_ns_type_operations *ns_type;
	const void *(*namespace)(struct device *dev);

	const struct dev_pm_ops *pm;

	struct class_private *p;
};

struct class_dev_iter {
	struct klist_iter		ki;
	const struct device_type	*type;
};
static int __init leds_init(void)
{
    /* creat = alloc + init + register,这里就不进去分子了 */
	leds_class = class_create(THIS_MODULE, "leds");   
	if (IS_ERR(leds_class))
		return PTR_ERR(leds_class);
	leds_class->suspend = led_suspend;
	leds_class->resume = led_resume;
	leds_class->dev_attrs = led_class_attrs;    /* 今天我们重点关心attribute */
	return 0;
}

static void __exit leds_exit(void)
{
	class_destroy(leds_class);
}

subsys_initcall(leds_init);
module_exit(leds_exit);

设备类的属性

/* interface for exporting device attributes */
struct device_attribute {
	struct attribute	attr;
	ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
			char *buf);
	ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
			 const char *buf, size_t count);
};

下面是led类的attribute，可以发现因为led类很简单，所以系统直接用device_attribute而没用class_attribute     

#define __ATTR(_name,_mode,_show,_store) { 
	.attr = {.name = __stringify(_name), .mode = _mode },	
	.show	= _show,					
	.store	= _store,					
}

static struct device_attribute led_class_attrs[] = {
	__ATTR(brightness, 0644, led_brightness_show, led_brightness_store),   /* 以这个为例来说明 */
	__ATTR(max_brightness, 0444, led_max_brightness_show, NULL),
#ifdef CONFIG_LEDS_TRIGGERS
	__ATTR(trigger, 0644, led_trigger_show, led_trigger_store),
#endif
	__ATTR_NULL,
};

下面看一下具体的两个shou和store函数。

show

/* 把之前设置过的亮度返回给brightness,具体的brightness_get函数由驱动工程师实现  */
static void led_update_brightness(struct led_classdev *led_cdev)
{
	if (led_cdev->brightness_get)
		led_cdev->brightness = led_cdev->brightness_get(led_cdev);
}


/* 展示当前亮度 */
static ssize_t led_brightness_show(struct device *dev, 
		struct device_attribute *attr, char *buf)
{
	struct led_classdev *led_cdev = dev_get_drvdata(dev);

	/* no lock needed for this */
    /* 读出之前设置过的值 */
	led_update_brightness(led_cdev);

    /* 格式化打印亮度到上层buff */
	return sprintf(buf, "%un", led_cdev->brightness);
}

store

/* class框架实现的set,具体的brightness_set函数还要有驱动工程师填充 */
static inline void led_set_brightness(struct led_classdev *led_cdev,
					enum led_brightness value)
{
	if (value > led_cdev->max_brightness)    /* 检查设定值范围 */
		value = led_cdev->max_brightness;
	led_cdev->brightness = value;    
	if (!(led_cdev->flags & LED_SUSPENDED))
		led_cdev->brightness_set(led_cdev, value);    /* stroe */
}

/* 供从上层接口设置亮度 */
static ssize_t led_brightness_store(struct device *dev,
		struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t size)
{
	struct led_classdev *led_cdev = dev_get_drvdata(dev);
	ssize_t ret = -EINVAL;
	char *after;
    /* 字符串转数字,还记得前面说的attribute的shou和store是用字符串吗 */
	unsigned long state = simple_strtoul(buf, &after, 10);
	size_t count = after - buf;

	if (isspace(*after))
		count++;

	if (count == size) {
		ret = count;

		if (state == LED_OFF)
			led_trigger_remove(led_cdev);
		led_set_brightness(led_cdev, state);    /* 设置亮度 */
	}

	return ret;
}

可以看到具体的show和store都要由驱动工程师实现（因为不同设备的show和store不同）

led具体的show和store这里我就不写了，之前我的一篇博客已经写的很明白了。链接如下：

https://blog.csdn.net/qq_16777851/article/details/80850526

最后

以上就是彪壮水蜜桃为你收集整理的linux设备模型四（attribute）的全部内容，希望文章能够帮你解决linux设备模型四（attribute）所遇到的程序开发问题。

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