Linux那些事儿 之 戏说USB(14)模型，又见模型

百晓生说，世界上有两样东西最让人捉摸不透，一个是小李飞刀，一个就是linux的设备模型。

进入21世纪，小李飞刀已经在电视上又见过无数遍，早就没了那种神秘感，可linux的设备模型仍然偏居一偶，让人端端的生起许多好奇来。

上文说usb_init给我们留下了一些岔路口，每条都像是不归路，让人不知道从何处开始，也看不到路的尽头。趁着徘徊彷徨的档儿，咱们还是先聊一下linux的设备模型。各位看官听好了，这可不是任小强们摆的房子模型，不存在忽悠你们的可能。

顾名而思义就知道设备模型是关于设备的模型，对咱们写驱动的和不写驱动的人来说，设备的概念就是总线和与其相连的各种设备了。电脑城的IT工作者都会知道设备是通过总线连到计算机上的，而且还需要对应的驱动才能用，可是总线是如何发现设备的，设备又是如何和驱动对应起来的，它们经过怎样的艰辛才找到命里注定的那个他，它们的关系如何，白头偕老型的还是朝三暮四型的，这些问题就不是他们关心的了，是咱们需要关心的。经历过高考千锤百炼的咱们还能够惊喜的发现，这些疑问的中心思想中心词汇就是总线、设备和驱动，没错，它们都是咱们这里要聊的linux设备模型的名角。

总线、设备、驱动，也就是bus、device、driver，既然是名角，在内核里都会有它们自己专属的结构，在include/linux/device.h里定义。

52 struct bus_type {

53         const char              * name;

54         struct module           * owner;

55

56         struct kset             subsys;

57         struct kset             drivers;

58         struct kset             devices;

59         struct klist            klist_devices;

60         struct klist            klist_drivers;

61

62         struct blocking_notifier_head bus_notifier;

63

64         struct bus_attribute    * bus_attrs;

65         struct device_attribute * dev_attrs;

66         struct driver_attribute * drv_attrs;

67         struct bus_attribute drivers_autoprobe_attr;

68         struct bus_attribute drivers_probe_attr;

69

70         int             (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);

71         int             (*uevent)(struct device *dev, char **envp,

72                                   int num_envp, char *buffer, int buffer_size);

73         int             (*probe)(struct device * dev);

74         int             (*remove)(struct device * dev);

75         void            (*shutdown)(struct device * dev);

76

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

78         int (*suspend_late)(struct device * dev, pm_message_t state);

79         int (*resume_early)(struct device * dev);

80         int (*resume)(struct device * dev);

81

82         unsigned int drivers_autoprobe:1;

83 };

 

410 struct device {

411         struct klist            klist_children;

412         struct klist_node       knode_parent;       /* node in sibling list */

413         struct klist_node       knode_driver;

414         struct klist_node       knode_bus;

415         struct device           *parent;

416

417         struct kobject kobj;

418         char    bus_id[BUS_ID_SIZE];    /* position on parent bus */

419         struct device_type      *type;

420         unsigned                is_registered:1;

421         unsigned                uevent_suppress:1;

422         struct device_attribute uevent_attr;

423         struct device_attribute *devt_attr;

424

425         struct semaphore        sem;    /* semaphore to synchronize calls to

426                                          * its driver.

427                                          */

428

429         struct bus_type * bus;          /* type of bus device is on */

430         struct device_driver *driver;   /* which driver has allocated this

431                                            device */

432         void            *driver_data;   /* data private to the driver */

433         void            *platform_data; /* Platform specific data, device

434                                            core doesn't touch it */

435         struct dev_pm_info      power;

436

437 #ifdef CONFIG_NUMA

438         int             numa_node;     /* NUMA node this device is close to */

439 #endif

440         u64             *dma_mask;      /* dma mask (if dma'able device) */

441         u64             coherent_dma_mask;/* Like dma_mask, but for

442                                              alloc_coherent mappings as

443                                              not all hardware supports

444                                              64 bit addresses for consistent

445                                             allocations such descriptors. */

446

447        struct list_head        dma_pools;      /* dma pools (if dma'ble) */

448

449         struct dma_coherent_mem *dma_mem; /* internal for coherent mem

450                                              override */

451         /* arch specific additions */

452         struct dev_archdata     archdata;

453

454         spinlock_t              devres_lock;

455         struct list_head        devres_head;

456

457         /* class_device migration path */

458         struct list_head        node;

459         struct class            *class;

460         dev_t                   devt;     /* dev_t, creates the sysfs "dev" */

461         struct attribute_group **groups;       /* optional groups */

462

463         void    (*release)(struct device * dev);

464 };

 

124 struct device_driver {

125         const char              * name;

126         struct bus_type         * bus;

127

128         struct kobject          kobj;

129         struct klist            klist_devices;

130         struct klist_node       knode_bus;

131

132         struct module           * owner;

133         const char              * mod_name;    /* used for built-in modules */

134         struct module_kobject   * mkobj;

135

136         int     (*probe)        (struct device * dev);

137         int     (*remove)       (struct device * dev);

138         void    (*shutdown)     (struct device * dev);

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

140         int     (*resume)       (struct device * dev);

141 };

 

没有人会监督我节省纸张，所以就都贴出来了，有没有发现它们的共性是什么？对，都很复杂很长，那是因为还没有见到更复杂更长的。不妨把它们看成艺术品，linux整个内核都是艺术品，既然是艺术，当然不会让你那么容易的就看懂了，不然怎么称大师称名家。这么想想咱们就会比较的宽慰了，阿Q是鲁迅对咱们80后最大的贡献。

我知道进入了21世纪，最缺的就是耐性，房价股价都让咱们没有耐性，内核的代码也让人没有耐性。不过做为最没有耐性的一代人，因为都被压扁了，还是要平心净气的扫一下上面的结构，我们会发现，struct bus_type 结构中有成员struct kset drivers 和struct kset devices，同时struct device结构中有两个成员struct bus_type和struct device_driver，struct device_driver结构中有两个成员struct bus_type和struct klist。先不说什么是klist、kset，光从成员的名字看，它们就是一个完美的三角关系。我们每个人心中是不是都有两个她？一个梦中的她，一个现实中的她。

凭一个男人的直觉，我们可以知道，struct device中的bus表示这个设备连到哪个总线上，driver表示这个设备的驱动是什么，struct device_driver中的bus表示这个驱动属于哪个总线，klist_devices表示这个驱动都支持哪些设备，因为这里device是复数，又是list，因为一个驱动可以支持多个设备，而一个设备只能绑定一个驱动。当然，struct bus_type中的drivers和devices分别表示了这个总线拥有哪些设备和哪些驱动。

单凭直觉，张钰出不了名。我们还需要看看什么是klist、kset。还有上面device和driver结构里出现的kobject结构是什么？作为一个五星红旗下长大的孩子，我可以肯定的告诉你，kobject和kset都是linux设备模型中最基本的元素，总线、设备、驱动是西瓜，kobjcet、klist是种瓜的人，没有幕后种瓜人的汗水不会有清爽解渴的西瓜，我们不能光知道西瓜的的甜，还要知道种瓜人的辛苦。kobject和kset不会在意自己自己的得失，它们存在的意义在于把总线、设备和驱动这样的对象连接到设备模型上。种瓜的人也不会在意自己的汗水，在意的只是能不能送出甜蜜的西瓜。

一般来说应该这么理解，整个linux的设备模型是一个OO的体系结构，总线、设备和驱动都是其中鲜活存在的对象，kobject是它们的基类，所实现的只是一些公共的接口，kset是同种类型kobject对象的集合，也可以说是对象的容器。只是因为C里不可能会有C++里类的class继承、组合等的概念，只有通过kobject嵌入到对象结构里来实现。这样，内核使用kobject将各个对象连接起来组成了一个分层的结构体系，就好像通过马列主义将我们13亿人也连接成了一个分层的社会体系一样。kobject结构里包含了parent成员，指向了另一个kobject结构，也就是这个分层结构的上一层结点。而kset是通过链表来实现的，这样就可以明白，struct bus_type 结构中的成员drivers 和devices表示了一条总线拥有两条链表，一条是设备链表，一条是驱动链表。我们知道了总线对应的数据结构，就可以找到这条总线关联了多少设备，又有哪些驱动来支持这类设备。

那么klist那？其实它就包含了一个链表和一个自旋锁，我们暂且把它看成链表也无妨，本来在2.6.11版本里，struct device_driver结构的devices成员就是一个链表类型。这么一说，咱们上面的直觉都是正确的，如果咱们买股票，摸彩票时直觉都这么管用，那现在哪还有任小强们牛气哄哄的份儿。

是个21世纪的人都知道，三角关系很难处，不要说自己没搞过三角关系，没吃过猪肉还没见过猪跑啊。那么总线、设备和驱动它们只见是如何和谐共处那？还是先说说总线中的那两条链表是怎么形成的吧。复旦人甲说这要求每次出现一个设备就要向总线汇报，或者说注册，每次出现一个驱动，也要向总线汇报，或者说注册。比如系统初始化的时候，会扫描连接了哪些设备，并为每一个设备建立起一个struct device的变量，每一次有一个驱动程序，就要准备一个struct device_driver结构的变量。把这些变量统统加入相应的链表，device 插入devices 链表，driver插入drivers链表。这样通过总线就能找到每一个设备，每一个驱动。然而，假如计算机里只有设备却没有对应的驱动，那么设备无法工作。反过来，倘若只有驱动却没有设备，驱动也起不了任何作用。在他们遇见彼此之前，双方都如同路埂的野草，一个飘啊飘，一个摇啊摇，谁也不知道未来在哪里，只能在生命的风里飘摇。于是总线上的两张表里就慢慢的就挂上了那许多孤单的灵魂。devices开始多了，drivers开始多了，他们像是两个来自世界，devices们彼此取暖，drivers们一起狂欢，但他们有一点是相同的，都只是在等待属于自己的那个另一半。

现在，总线上的两条链表已经有了，这个三角关系三个边已经有了两个，剩下的那个那？链表里的device和driver又是如何联系那？先有device还是先有driver？偷懒一下，仍然摘引复旦人甲的话吧。很久很久以前，在那激情燃烧的岁月里，先有的是device，每一个要用的device在计算机启动之前就已经插好了，插放在它应该在的位置上，然后计算机启动，然后操作系统开始初始化，总线开始扫描设备，每找到一个设备，就为其申请一个struct device结构，并且挂入总线中的devices链表中来，然后每一个驱动程序开始初始化，开始注册其struct device_driver结构，然后它去总线的devices链表中去寻找(遍历)，去寻找每一个还没有绑定driver的设备，即struct device中的struct device_driver指针仍为空的设备，然后它会去观察这种设备的特征，看是否是他所支持的设备，如果是，那么调用一个叫做device_bind_driver的函数，然后他们就结为了秦晋之好。换句话说，把struct device中的struct device_driver driver指向这个driver，而struct device_driver driver把struct device加入他的那张struct klist klist_devices链表中来。就这样，bus、device和driver，这三者之间或者说他们中的两两之间，就给联系上了。知道其中之一，就能找到另外两个。一荣俱荣，一损俱损。

但现在情况变了，在这红莲绽放的日子里，在这樱花伤逝的日子里，出现了一种新的名词，叫热插拔。device可以在计算机启动以后在插入或者拔出计算机了。因此，很难再说是先有device还是先有driver了。因为都有可能。device可以在任何时刻出现，而driver 也可以在任何时刻被加载，所以，出现的情况就是，每当一个struct device诞生，它就会去bus的drivers链表中寻找自己的另一半，反之，每当一个一个struct device_driver诞生，它就去bus的devices链表中寻找它的那些设备。如果找到了合适的，那么ok，和之前那种情况一下，调用device_bind_driver绑定好.如果找不到，没有关系，等待吧，等到昙花再开，等到风景看透，心中相信，这世界上总有一个人是你所等的，只是还没有遇到而已。