Linux内核对象模型(subsystem,kset,kobject)

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
};
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，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
};
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。

Subsystem是一系列kset的集合，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
};

内核通常用kobject 结构将各个对象连接起来组成一个分层的结构体系。
parent 是指向另外一个kobject 结构（分层结构中上一层的节点）的指针，主要用途是在 sysfs 层次中定位对象.

 一个 kset 是嵌入到相同类型结构的 kobject 的集合。但 struct kobj_type 关注的是对象的类型，而structkset 关心的是对象的集合，可认为kset是kobjects 的顶层容器类。每个 kset 在内部包含自己的 kobject,并可以用多种处理kobject 的方法处理kset。 kset总是在 sysfs 中出现; 一旦设置了 kset 并把它添加到系统中, 将在sysfs 中创建一个目录；kobjects 不必在 sysfs 中表示, 但kset中的每一个 kobject 成员都在sysfs中得到表述。

增加 kobject 到 kset 中去，通常是在kobject 创建时完成，其过程分为3步：

（1）完成kobject的初始化，特别注意entry,parent的初始化。
（2）把kobject 的 kset 成员指向目标kset。
（3）将kobject 传递给下面的函数：

int kobject_add(struct kobject *kobj); /*函数可能失败(返回一个负错误码),程序应作出相应地反应*/

内核提供了一个组合函数：

extern int kobject_register(struct kobject *kobj); /*仅仅是一个 kobject_init 和 kobject_add 的结合，其他成员的初始化必须在之前手动完成*/

当把一个kobject从kset中删除以清除引用时使用：
void kobject_unregister(struct kobject *kobj); /*是 kobject_del 和 kobject_put 的结合*/

kset 在一个标准的内核链表中保存了它的子节点，在大部分情况下, 被包含的 kobjects 在它们的 parent 成员中保存指向 kset内嵌的 kobject的指针，关系如下：

图表中的所有的被包含的 kobjects 实际上被嵌入在一些其他类型中, 甚至可能其他的 kset。

 ksets 有类似于kobjects初始化和设置接口。

ksets还有一个指针指向 kobj_type 结构来描述它包含的 kobject，这个类型优先于 kobject 自身中的 ktype。因此在典型的应用中, 在 struct kobject 中的 ktype 成员被设为 NULL, 而 kset 中的ktype是实际被使用的。
在新的内核里， kset 不再包含一个子系统指针struct subsystem * subsys， 而且subsystem已经被kset取代。

子系统是对整个内核中一些高级部分的表述。子系统通常出现在 sysfs分层结构中的顶层，内核子系统包括block_subsys(/sys/block 块设备)、 devices_subsys(/sys/devices核心设备层)以及内核已知的用于各种总线的特定子系统。

对于新的内核已经不再有subsystem数据结构了，用kset代替了。每个 kset 必须属于一个子系统，子系统成员帮助内核在分层结构中定位 kset 。

/*子系统通常用以下的宏声明:*//linux/lib/kobject.h
 185#define decl_subsys(_name,_type,_uevent_ops) \
 186struct kset _name##_subsys = { \
 187        .kobj = { .name = __stringify(_name) }, \
 188        .ktype = _type, \
 189        .uevent_ops =_uevent_ops, \
 190}

/*子系统的操作函数:*/
void subsystem_init(struct kset *s);
int subsystem_register(struct kset *s);
void subsystem_unregister(struct kset *s);
struct subsystem *subsys_get(struct kset *s)
void subsys_put(struct kset *s);

/*这些函数基本上是kset操作函数的包装，以实现子系统的操作*/
如：void subsystem_init(struct kset *s);在/linux/lib/kobject.c
 659int subsystem_register(struct kset *s)
 660{
 661        return kset_register(s);
 662}

kobject是在 sysfs 虚拟文件系统后的机制。对每个在 sysfs 中的目录, 在内核中都会有一个 kobject 与之对应。每个 kobject都输出一个或多个属性, 它在 kobject 的 sysfs 目录中以文件的形式出现, 其中的内容由内核产生。
sysfs文件系统详解：http://blog.chinaunix.net/u1/55599/showart_1089096.html
sysfs.h源码详析：http://blog.chinaunix.net/u1/55599/showart_1091002.html

在 sysfs 中创建kobject的入口是kobject_add的工作的一部分，只要调用 kobject_add 就会在sysfs 中显示，还有些知识值得记住:
（1）kobjects 的 sysfs 入口始终为目录, kobject_add 的调用将在sysfs 中创建一个目录，这个目录包含一个或多个属性（文件）；
（2）分配给 kobject 的名字( 用 kobject_set_name ) 是 sysfs 中的目录名，出现在 sysfs 层次的相同部分的kobjects 必须有唯一的名字. 分配给 kobjects 的名字也应当是合法的文件名字:它们不能包含非法字符（如：斜线）且不推荐使用空白。
（3）sysfs 入口位置对应 kobject 的 parent 指针。若parent 是 NULL ，则它被设置为嵌入到新 kobject 的 kset 中的 kobject；若 parent 和 kset 都是NULL, 则sysfs 入口目录在顶层目录，通常不推荐。

当创建kobject 时, 每个 kobject 都被给定一系列默认属性。这些属性保存在 kobj_type 结构中:

struct kobj_type {
 void (*release)(struct kobject *);
 struct sysfs_ops *sysfs_ops;/*提供实现以下属性的方法*/
 struct attribute **default_attrs; /*用于保存类型属性列表（指针的指针） */
};

struct attribute {
 char *name;/*属性的名字( 在 kobject 的 sysfs 目录中显示)*/
 struct module *owner;/*指向模块的指针(如果有), 此模块负责实现这个属性*/
 mode_t mode; /*属性的保护位,modes 的宏定义在 <linux/stat.h>:例如S_IRUGO 为只读属性等等*/
}; /*default_attrs 列表中的最后一个元素必须用 0 填充*/

 sysfs 读写这些属性是由 kobj_type->sysfs_ops 成员中的函数完成的:

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

当用户空间读取一个属性时，内核会使用指向 kobject 的指针（kobj）和正确的属性结构（*attr）来调用show方法，该方法将给定属性值编码进缓冲(buffer)（注意不要越界( PAGE_SIZE 字节)）， 并返回实际数据长度。sysfs的约定要求每个属性应当包含一个可读值; 若返回大量信息,需将它分为多个属性.

也可对所有 kobject 关联的属性使用同一个show 方法，用传递到函数的 attr 指针来判断所请求的属性。有的 show 方法包含对属性名字的检查。有的show方法会将属性结构嵌入另一个结构, 这个结构包含需要返回属性值的信息，这时可用container_of 获得上层结构的指针以返回属性值的信息。

store方法将存在缓冲（buffer）的数据( size 为数据的长度，不能超过 PAGE_SIZE )解码并保存新值到属性（*attr）,返回实际解码的字节数。store 方法只在拥有属性的写权限时才能被调用。此时注意：接收来自用户空间的数据一定要验证其合法性。如果到数据不匹配,返回一个负的错误值。

虽然 kobject 类型的 default_attrs 成员描述了所有的 kobject 会拥有的属性，倘若想添加新属性到 kobject 的 sysfs 目录属性只需简单地填充一个attribute结构并传递到以下函数:

int sysfs_create_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);
/*若成功，文件以attribute结构中的名字创建并返回 0; 否则, 返回负错误码*/
/*注意：内核会调用相同的 show() 和 store() 函数来实现对新属性的操作，所以在添加一个新非默认属性前，应采取必要的步骤确保这些函数知道如何实现这个属性*/

若要删除属性，调用:

int sysfs_remove_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);
/*调用后, 这个属性不再出现在 kobject 的 sysfs 入口。若一个用户空间进程可能有一个打开的那个属性的文件描述符，在这个属性已经被删除后，show 和 store 仍然可能被调用*/

二进制属性

sysfs 通常要求所有属性都只包含一个可读文本格式的值，很少需要创建能够处理大量二进制数据的属性。但当在用户空间和设备间传递不可改变的数据时（如上传固件到设备）就需要这个特性。二进制属性使用一个 bin_attribute 结构来描述:

struct bin_attribute {
    struct attribute    attr;/*属性结构体*/
    size_t            size;/*这个二进制属性的最大大小(若无最大值则为0)*/
    void            *private;
    ssize_t (*read)(struct kobject *, char *, loff_t, size_t);
    ssize_t (*write)(struct kobject *, char *, loff_t, size_t);
/*read 和 write 方法类似字符驱动的读写方法;，在一次加载中可被多次调用,每次调用最大操作一页数据，且必须能以其他方式判断操作数据的末尾*/
    int (*mmap)(struct kobject *, struct bin_attribute *attr,
         struct vm_area_struct *vma);
};

/*二进制属性必须显式创建，不能以默认属性被创建，创建一个二进制属性调用:*/
int sysfs_create_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);

/*删除二进制属性调用:*/
int sysfs_remove_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);

符号链接

sysfs 文件系统具有树型结构, 反映 kobject之间的组织层次关系。为了表示驱动程序和所管理的设备间的关系，需要额外的指针，其在 sysfs 中通过符号链接实现。

/*在 sysfs 创建一个符号链接:*/
int sysfs_create_link(struct kobject *kobj, struct kobject *target, char *name);
/*函数创建一个链接(name)指向target的 sysfs 入口作为 kobj 的一个属性，是一个相对连接，与它在sysfs 系统中的位置无关*/

/*删除符号连接调用:*/
void sysfs_remove_link(struct kobject *kobj, char *name);

热插拔事件产生

一个热插拔事件是一个从内核空间发送到用户空间的通知, 表明系统配置已经改变. 无论 kobject被创建或删除，都会产生这种事件。热插拔事件会导致对 /sbin/hotplug 的调用, 它通过加载驱动程序, 创建设备节点,挂载分区或其他正确动作响应事件。
热插拔事件的实际控制是通过一套存储于 kset_uevent_ops （《LDD3》中介绍的struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops;在2.6.22.2中已经被kset_uevent_ops 结构体替换）结构的方法完成：

struct kset_uevent_ops {
    int (*filter)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
    const char *(*name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
    int (*uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, char **envp,
            int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
};

可以在 kset 结构的uevent_ops 成员中找到指向kset_uevent_ops结构的指针。

若在 kobject 中不包含指定的 kset , 内核将通过 parent 指针在分层结构中进行搜索，直到发现一个包含有kset的 kobject ; 接着使用这个 kset 的热插拔操作。
kset_uevent_ops 结构中的三个方法作用如下：
（1） filter 函数让 kset 代码决定是否将事件传递给用户空间。如果 filter 返回 0,将不产生事件。以磁盘的 filter 函数为例，它只允许kobject产生磁盘和分区的事件，源码如下:

static int block_hotplug_filter(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
 struct kobj_type *ktype = get_ktype(kobj);
    return ((ktype == &ktype_block) || (ktype == &ktype_part));
}

（2） 当调用用户空间的热插拔程序时，相关子系统的名字将作为唯一的参数传递给它。name 函数负责返回合适的字符串传递给用户空间的热插拔程序。

（3）热插拔脚本想得到的任何其他参数都通过环境变量传递。uevent 函数的作用是在调用热插拔脚本之前将参数添加到环境变量中。函数原型：

int (*uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, /*产生事件的目标对象*/
 char **envp,/*一个保存其他环境变量定义(通常为 NAME=value 的格式)的数组*/
 int num_envp, /*环境变量数组中包含的变量个数（数组大小）*/
 char *buffer, int buffer_size/*环境变量被编码后放入的缓冲区的指针和字节数（大小）*/
/*若需要添加任何环境变量到 envp, 必须在最后的添加项后加一个 NULL 入口，使内核知道数组的结尾*/
        );
/*返回值正常应当是 0，若返回非零值将终止热插拔事件的产生*/

热插拔事件的产生通常是由在总线驱动程序层的逻辑所控制。