大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解linux设备中virtio组织关系及设备初始化调用流程问题。
当我们查看linux内核中virtio driver的相关代码时，会发现有很多相关的文件。一开始有virtio.c文件，virtio_pci.c，virtio_scsi.c，virtio_net.c，virtio_blk.c，virtio _ ball . c等等。那么这些文件之间有什么关系呢？其次，很多都有自己的探测函数，它们是怎么调用的，比如网络的virtio_net是从哪里开始初始化的？为了阐明这些关系，我们需要在linux设备驱动模型的背景下讨论它们。本文以linux内核3.10代码为例，分析了virtio的相关组织关系和设备初始化调用的过程。
巴士及司机登记。
linux设备驱动模型的核心有三个概念：设备、驱动和总线。而如果我们以virtio_net为例，梳理virtio的相关关系，映射到设备驱动模型，就会得到下图。在这一部分的后面，我们展开下图作为背景。
图1
linux的虚拟实现分为两部分：与物理总线标准相关的部分(如pci、scsi等)。)和那些与物理总线标准无关的。
图的左边部分是与物理总线相关的实现。这里使用pci，但是virtio也支持其他总线类型，例如scsi。Virtio-pci是对应于pci的Virtio的驱动程序实现，所以virtio-pci是pci总线上的驱动程序。它以下列方式在pci总线上注册。
lvirtio总线的注册。
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静态结构总线类型virtio _ bus={。名称='virtio '。match=virtio_dev_match。dev_attrs=virtio_dev_attrs。uevent=virtio_uevent。probe=virtio_dev_probe。remove=virtio_dev_remove，
};
staticintvirtio_init(void)
{
if(bus_register(virtio_bus)！=0)
死机(“virtio bus注册失败”)；
返回0；
}
core _ init call(virtio _ init)；
如代码所示，该总线的名称为“virtio”，virtio总线通过bus_register注册到系统中，可以在sys文件系统中查看。
网络驱动注册。
最后，我们看到我们经常会接触到设备驱动程序的初始化。我们以virtio_net为例，它对应的驱动程序是virtio-net。注册流程如下。
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静态结构虚拟设备
_id id_table[]={{VIRTIO_ID_NET,VIRTIO_DEV_ANY_ID},
{0},
};
static struct virtio_driver virtio_net_driver={
.feature_table=features,
.feature_table_size=ARRAY_SIZE(features),
.driver.name=KBUILD_MODNAME,
.driver.owner=THIS_MODULE,
.id_table=id_table,
.probe=virtnet_probe,
.remove=virtnet_remove,
.config_changed=virtnet_config_changed,
#ifdef CONFIG_PM
.freeze=virtnet_freeze,
.restore=virtnet_restore,
#endif
};
module_virtio_driver(virtio_net_driver);
#define module_virtio_driver(__virtio_driver)\
module_driver(__virtio_driver,register_virtio_driver,\
unregister_virtio_driver)
intregister_virtio_driver(struct virtio_driver*driver)
{
BUG_ON(driver->feature_table_size&&!driver->feature_table);
driver->driver.bus=&virtio_bus;
return driver_register(&driver->driver);
}
最终通过register_virtio_driver函数将驱动的bus设置为之前注册的virtio总线，完成总线的注册。这样我们就能在sys文件系统对应virtio总线下的drivers目录看到这个驱动了。
所以我们再回头来看图1，可以看到virtio设备是横跨两类总线及驱动的。
virtio设备的初始化流程
梳理清楚virtio相关设备，总线及驱动关系后我们看下virtio设备的初始化过程，我们还是以网络virtio_net设备为例子。这个初始化过程如下图2中的黄色部分所示。
图2
首先是系统启动kernel初始化阶段，pci子系统调用pci_scan_device发现pci网卡设备，并初始化对应pci_dev结构，然后将去注册到pci总线上（dev->dev.bus=&pci_bus_type）。同时设置device的vendor_id为0x1AF4（virtio的pci vendor_id），device_id为1
然后当我们加载virtio-pci驱动时,当调用module_pci_driver(virtio_pci_driver)将virtio-pci驱动注册在pci总线上时，在linux设备驱动模型中，这会导致对pci总线设备链表上未被驱动绑定的每个设备调用pci总线的match回调函数，即pci_bus_match函数。原型如下：
static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
pci_bus_match函数将linux设备驱动模型核心出入的device结构转换为pci_dev结构，将device_driver结构转换为pci_driver结构，之后调用pci_match_device函数判断pci设备结构是否有匹配的pci设备ID结构。如果有则判断设备的pci ID和驱动设置的id_table中是否一样，如果一样说明设备和驱动匹配（这里设备的vendor_id和virtio-pci的virtio_pci_id_table匹配），将struct device的driver指针指向驱动，然后调用pci总线的probe函数，即pci_deivce_probe函数。这个函数再次将struct device强制转换成struct pci_dev，将设置在设备中的driver结构强制转换为struct pci_derver。它再次校验这个驱动能否支持这个设备，递增设备的引用计数，然后调用pci驱动probe函数(即virtio-pci的probe函数virtio_pci_probe)，传入它应该绑定到的struct pci_dev结构体指针。这就进入到了图2中黄色部分的函数调用链了。
在开始梳理virtio_net初始化调用链前我们先看其对应的结构struct virtio_pci_device，将其展开得到图3。
图3
我们看到virtio_pci_device可以分为两部分，一部分是和pci总线相关的设备对应struct pci_dev，另一部分是和virtio总线相关的设备对应structvirtio_device。
virtio_pci_probe函数主要负责完成pci_dev部分的初始化，已经virtio_device部分初始化，然后调用register_virtio_device函数。
register_virtio_device函数将virtio_device的设备总线设置为virtio总线，然后调用device_register将virtio_device对应的设备添加到virtio总线上。这个添加总线的动作，会触发virtio总线的match函数即virtio_dev_match调用，同样该函数会比较设备dev的pci id和驱动id (virtio net的devid为1)，如果匹配则virtio bus的probe函数virtio_dev_probe将被调用。其中又会调用对应驱动的probe函数，即virtnet_probe。而virtnet_probe将会完成virtio net设备structvirtio_device剩余部分的初始化。
到此，virtio net的初始化流程就已经梳理清楚了。virtio net设备创建完成后也会分别出现在pci总线和virtio总线的drvices目录下。
最后附上virtio的其他类型设备id：
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#define VIRTIO_ID_NET1
#define VIRTIO_ID_BLOCK2
#define VIRTIO_ID_CONSOLE3
#define VIRTIO_ID_RNG4
#define VIRTIO_ID_BALLOON5
#define VIRTIO_ID_RPMSG7
#define VIRTIO_ID_SCSI8
#define VIRTIO_ID_9P9
#define VIRTIO_ID_RPROC_SERIAL 11
#define VIRTIO_ID_CAIF 12
我们看linux kernel中virtio驱动相关代码，会发现有很多相关文件。首先有virtio.c这种文件，其次还有virtio_pci.c，virtio_scsi.c等这些文件，还有virtio_net.c，virtio_blk.c，virtio_balloon.c等这些。那么这些文件是什么关系呢？其次里面很多还有各自probe函数，到底是如何调用的，例如以网络的virtio_net到底是从哪里开始初始化的？要理清这些关系需要以linux设备驱动模型为背景展开讨论。这篇文章，我们以linux kernel 3.10代码为例，分析一下virtio的相关组织关系，以及设备初始化调用流程。
总线及驱动的注册
linux设备驱动模型的核心有三个概念：设备(device)，驱动(driver)，总线(bus)。而如果我们把virtio的相关关系梳理清楚后，以网络virtio_net为例映射到设备驱动模型，就得到了下图。我们这个小节后面就以下图为背景展开。
图1
linux将virtio实现分离成两部分：和物理总线标准相关的（如pci，scsi等），和物理总线标准无关的。
图中左侧部分即和物理总线相关的实现，这里以pci为了，当然virtio也支持其他总线类型，如scsi。virtio-pci是virtio对应pci的驱动实现，所以virtio-pci是一个pci总线上的一个驱动。它通过如下方式注册到pci总线上去。
lvirtio总线的注册
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static struct bus_type virtio_bus={
.name="virtio",
.match=virtio_dev_match,
.dev_attrs=virtio_dev_attrs,
.uevent=virtio_uevent,
.probe=virtio_dev_probe,
.remove=virtio_dev_remove,
};
staticintvirtio_init(void)
{
if(bus_register(&virtio_bus)!=0)
panic("virtio bus registration failed");
return 0;
}
core_initcall(virtio_init);
如代码所示，这个总线的名字叫”virtio”，通过bus_register就将virtio总线注册进系统，可以在sys文件系统中查看。
lvirtio-net驱动注册
最后我们看我们经常接触到设备驱动的初始化，我们以网络驱动virtio_net为例，其对应的驱动为virtio-net。其注册过程如下。
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static struct virtio_device_id id_table[]={
{VIRTIO_ID_NET,VIRTIO_DEV_ANY_ID},
{0},
};
static struct virtio_driver virtio_net_driver={
.feature_table=features,
.feature_table_size=ARRAY_SIZE(features),
.driver.name=KBUILD_MODNAME,
.driver.owner=THIS_MODULE,
.id_table=id_table,
.probe=virtnet_probe,
.remove=virtnet_remove,
.config_changed=virtnet_config_changed,
#ifdef CONFIG_PM
.freeze=virtnet_freeze,
.restore=virtnet_restore,
#endif
};
module_virtio_driver(virtio_net_driver);
#define module_virtio_driver(__virtio_driver)\
module_driver(__virtio_driver,register_virtio_driver,\
unregister_virtio_driver)
intregister_virtio_driver(struct virtio_driver*driver)
{
BUG_ON(driver->feature_table_size&&!driver->feature_table);
driver->driver.bus=&virtio_bus;
return driver_register(&driver->driver);
}
最终通过register_virtio_driver函数将驱动的bus设置为之前注册的virtio总线，完成总线的注册。这样我们就能在sys文件系统对应virtio总线下的drivers目录看到这个驱动了。
所以我们再回头来看图1，可以看到virtio设备是横跨两类总线及驱动的。
virtio设备的初始化流程
梳理清楚virtio相关设备，总线及驱动关系后我们看下virtio设备的初始化过程，我们还是以网络virtio_net设备为例子。这个初始化过程如下图2中的黄色部分所示。
图2
首先是系统启动kernel初始化阶段，pci子系统调用pci_scan_device发现pci网卡设备，并初始化对应pci_dev结构，然后将去注册到pci总线上（dev->dev.bus=&pci_bus_type）。同时设置device的vendor_id为0x1AF4（virtio的pci vendor_id），device_id为1
然后当我们加载virtio-pci驱动时,当调用module_pci_driver(virtio_pci_driver)将virtio-pci驱动注册在pci总线上时，在linux设备驱动模型中，这会导致对pci总线设备链表上未被驱动绑定的每个设备调用pci总线的match回调函数，即pci_bus_match函数。原型如下：
static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
pci_bus_match函数将linux设备驱动模型核心出入的device结构转换为pci_dev结构，将device_driver结构转换为pci_driver结构，之后调用pci_match_device函数判断pci设备结构是否有匹配的pci设备ID结构。如果有则判断设备的pci ID和驱动设置的id_table中是否一样，如果一样说明设备和驱动匹配（这里设备的vendor_id和virtio-pci的virtio_pci_id_table匹配），将struct device的driver指针指向驱动，然后调用pci总线的probe函数，即pci_deivce_probe函数。这个函数再次将struct device强制转换成struct pci_dev，将设置在设备中的driver结构强制转换为struct pci_derver。它再次校验这个驱动能否支持这个设备，递增设备的引用计数，然后调用pci驱动probe函数(即virtio-pci的probe函数virtio_pci_probe)，传入它应该绑定到的struct pci_dev结构体指针。这就进入到了图2中黄色部分的函数调用链了。
在开始梳理virtio_net初始化调用链前我们先看其对应的结构struct virtio_pci_device，将其展开得到图3。
图3
我们看到virtio_pci_device可以分为两部分，一部分是和pci总线相关的设备对应struct pci_dev，另一部分是和virtio总线相关的设备对应structvirtio_device。
virtio_pci_probe函数主要负责完成pci_dev部分的初始化，已经virtio_device部分初始化，然后调用register_virtio_device函数。
register_virtio_device函数将virtio_device的设备总线设置为virtio总线，然后调用device_register将virtio_device对应的设备添加到virtio总线上。这个添加总线的动作，会触发virtio总线的match函数即virtio_dev_match调用，同样该函数会比较设备dev的pci id和驱动id (virtio net的devid为1)，如果匹配则virtio bus的probe函数virtio_dev_probe将被调用。其中又会调用对应驱动的probe函数，即virtnet_probe。而virtnet_probe将会完成virtio net设备structvirtio_device剩余部分的初始化。
到此，virtio net的初始化流程就已经梳理清楚了。virtio net设备创建完成后也会分别出现在pci总线和virtio总线的drvices目录下。
最后附上virtio的其他类型设备id：
点击(此处)折叠或打开
#define VIRTIO_ID_NET1
#define VIRTIO_ID_BLOCK2
#define VIRTIO_ID_CONSOLE3
#define VIRTIO_ID_RNG4
#define VIRTIO_ID_BALLOON5
#define VIRTIO_ID_RPMSG7
#define VIRTIO_ID_SCSI8
#define VIRTIO_ID_9P9
#define VIRTIO_ID_RPROC_SERIAL 11
#define VIRTIO_ID_CAIF 12
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