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"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：
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 = %s\n",
__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 count\n",
(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: %s\n", 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, "%u\n", 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
参考学习: