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设备模型之一：Kobject问题。
1.介绍
Kobject是Linux设备模型的基础，也是设备模型中最难理解的部分(参考Documentation/koobject . txt的描述)。所以有必要先分析清楚。
2.基本概念
根据“Linux设备模型(1)_ Basic Concepts”，Linux设备模型的核心是使用总线、类、设备和驱动四种核心数据结构，以树形结构的形式，对大量功能不同的硬件设备(以及驱动硬件设备的方法)进行总结和抽象，便于对Kernel进行统一管理。
硬件设备的数量和类型非常多，这决定了内核中会有大量关于设备型号的数据结构。这些数据结构必须有一些共同的功能，需要统一抽象和实现，否则必然会产生冗余代码。这就是科宾诞生的背景。
到目前为止，Kobject主要提供以下功能：
有了父指针，所有的Kobject都可以组合成一个层次结构。
使用引用计数记录koobject被引用的次数，并在引用次数为零时释放(这是koobject诞生时的唯一函数)。
配合sysfs虚拟文件系统，将每一个Kobject及其特性以文件的形式开放给用户空间(sysfs将在其他文章中具体描述，本文不再赘述)。
注意：在Linux中，Kobject几乎不单独存在。它的主要功能是将其嵌入到一个大的数据结构中，并为这个数据结构提供一些底层功能。
注意：Linux驱动开发人员很少直接使用Koobject及其接口，而是使用在Koobject上构建的设备模型接口。
3.代码分析
3.1 Linux内核源代码中的位置
在内核源代码中，Kobject由以下两个文件实现：
include/linux/kobject.h
lib/ko object . c
其中，Kobject.h是kobject的头文件，包含了所有的数据结构定义和接口声明。Kobject.c是核心功能的实现。
3.2主要数据结构
在描述数据结构之前，有必要解释一下Kobject、Kset和Ktype三个概念。
Kobjects是基本的数据类型，每个Kobject将作为目录出现在“/sys/”文件系统中。
Ktype代表Kobjects的属性操作集(严格来说是包含Kobjects的数据结构)(由于通用性，多个Kobjects可能共享同一个属性操作集，所以Ktype是分开的)。
注：在设备模型中，ktype的命名和解释非常抽象，难以理解，后面会详细解释。
Kset是一个特殊的kobjects(因此它也将作为目录出现在“/sys/”文件系统中)，用于收集相似的kobjects(这些kobjects可以是相同的属性，也可以是不同的属性)。
先看Kobject的原型。
1:
2: struct kobject {
3: const char * name
4:结构li
st_head entry;5: struct kobject *parent;
6: struct kset *kset;
7: struct kobj_type *ktype;
8: struct sysfs_dirent *sd;
9: struct kref kref;
10: unsigned int state_iniTIalized:1;
11: unsigned int state_in_sysfs:1;
12: unsigned int state_add_uevent_sent:1;
13: unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
14: unsigned int uevent_suppress:1;
15: };
name，该Kobject的名称，同时也是sysfs中的目录名称。由于Kobject添加到Kernel时，需要根据名字注册到sysfs中，之后就不能再直接修改该字段。如果需要修改Kobject的名字，需要调用kobject_rename接口，该接口会主动处理sysfs的相关事宜。
entry，用于将Kobject加入到Kset中的list_head。
parent，指向parent kobject，以此形成层次结构（在sysfs就表现为目录结构）。
kset，该kobject属于的Kset。可以为NULL。如果存在，且没有指定parent，则会把Kset作为parent（别忘了Kset是一个特殊的Kobject）。
ktype，该Kobject属于的kobj_type。每个Kobject必须有一个ktype，或者Kernel会提示错误。
sd，该Kobject在sysfs中的表示。
kref，"struct kref”类型（在include/linux/kref.h中定义）的变量，为一个可用于原子操作的引用计数。
state_iniTIalized，指示该Kobject是否已经初始化，以在Kobject的Init，Put，Add等操作时进行异常校验。
state_in_sysfs，指示该Kobject是否已在sysfs中呈现，以便在自动注销时从sysfs中移除。
state_add_uevent_sent/state_remove_uevent_sent，记录是否已经向用户空间发送ADD uevent，如果有，且没有发送remove uevent，则在自动注销时，补发REMOVE uevent，以便让用户空间正确处理。
uevent_suppress，如果该字段为1，则表示忽略所有上报的uevent事件。
注4：Uevent提供了“用户空间通知”的功能实现，通过该功能，当内核中有Kobject的增加、删除、修改等动作时，会通知用户空间。有关该功能的具体内容，会在其它文章详细描述。
Kset的原型为
1:
2: struct kset {
3: struct list_head list;
4: spinlock_t list_lock;
5: struct kobject kobj;
6: const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;
7: };
list/list_lock，用于保存该kset下所有的kobject的链表。
kobj，该kset自己的kobject（kset是一个特殊的kobject，也会在sysfs中以目录的形式体现）。
uevent_ops，该kset的uevent操作函数集。当任何Kobject需要上报uevent时，都要调用它所从属的kset的uevent_ops，添加环境变量，或者过滤event（kset可以决定哪些event可以上报）。因此，如果一个kobject不属于任何kset时，是不允许发送uevent的。
Ktype的原型为
1:
2: struct kobj_type {
3: void (*release)(struct kobject *kobj);
4: const struct sysfs_ops *sysfs_ops;
5: struct attribute **default_attrs;
6: const struct kobj_ns_type_operaTIons *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
7: const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
8: };
release，通过该回调函数，可以将包含该种类型kobject的数据结构的内存空间释放掉。
sysfs_ops，该种类型的Kobject的sysfs文件系统接口。
default_attrs，该种类型的Kobject的atrribute列表（所谓attribute，就是sysfs文件系统中的一个文件）。将会在Kobject添加到内核时，一并注册到sysfs中。
child_ns_type/namespace，和文件系统（sysfs）的命名空间有关，这里不再详细说明。
总结，Ktype以及整个Kobject机制的理解。 Kobject的核心功能是：保持一个引用计数，当该计数减为0时，自动释放（由本文所讲的kobject模块负责）Kobject所占用的meomry空间。这就决定了Kobject必须是动态分配的（只有这样才能动态释放）。 而Kobject大多数的使用场景，是内嵌在大型的数据结构中（如Kset、device_driver等），因此这些大型的数据结构，也必须是动态分配、动态释放的。那么释放的时机是什么呢？是内嵌的Kobject释放时。但是Kobject的释放是由Kobject模块自动完成的（在引用计数为0时），那么怎么一并释放包含自己的大型数据结构呢？ 这时Ktype就派上用场了。我们知道，Ktype中的release回调函数负责释放Kobject（甚至是包含Kobject的数据结构）的内存空间，那么Ktype及其内部函数，是由谁实现呢？是由上层数据结构所在的模块！因为只有它，才清楚Kobject嵌在哪个数据结构中，并通过Kobject指针以及自身的数据结构类型，找到需要释放的上层数据结构的指针，然后释放它。 讲到这里，就清晰多了。所以，每一个内嵌Kobject的数据结构，例如kset、device、device_driver等等，都要实现一个Ktype，并定义其中的回调函数。同理，sysfs相关的操作也一样，必须经过ktype的中转，因为sysfs看到的是Kobject，而真正的文件操作的主体，是内嵌Kobject的上层数据结构！ 顺便提一下，Kobject是面向对象的思想在Linux kernel中的极致体现，但C语言的优势却不在这里，所以Linux kernel需要用比较巧妙（也很啰嗦）的手段去实现，
3.3 功能分析
3.3.1 Kobject使用流程
Kobject大多数情况下（有一种例外，下面会讲）会嵌在其它数据结构中使用，其使用流程如下：
定义一个struct kset类型的指针，并在初始化时为它分配空间，添加到内核中
根据实际情况，定义自己所需的数据结构原型，该数据结构中包含有Kobject
定义一个适合自己的ktype，并实现其中回调函数
在需要使用到包含Kobject的数据结构时，动态分配该数据结构，并分配Kobject空间，添加到内核中
每一次引用数据结构时，调用kobject_get接口增加引用计数；引用结束时，调用kobject_put接口，减少引用计数
当引用计数减少为0时，Kobject模块调用ktype所提供的release接口，释放上层数据结构以及Kobject的内存空间
上面有提过，有一种例外，Kobject不再嵌在其它数据结构中，可以单独使用，这个例外就是：开发者只需要在sysfs中创建一个目录，而不需要其它的kset、ktype的操作。这时可以直接调用kobject_create_and_add接口，分配一个kobject结构并把它添加到kernel中。
3.3.2 Kobject的分配和释放
前面讲过，Kobject必须动态分配，而不能静态定义或者位于堆栈之上，它的分配方法有两种。
1. 通过kmalloc自行分配（一般是跟随上层数据结构分配），并在初始化后添加到kernel。这种方法涉及如下接口：
1:
2: extern void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype);
3: extern __printf(3, 4) __must_check
4: int kobject_add(struct kobject *kobj, struct kobject *parent,
5: const char *fmt, ...);
6: extern __printf(4, 5) __must_check
7: int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj,
8: struct kobj_type *ktype, struct kobject *parent,
9: const char *fmt, ...);
kobject_init，初始化通过kmalloc等内存分配函数获得的struct kobject指针。主要执行逻辑为：
确认kobj和ktype不为空
如果该指针已经初始化过（判断kobj->state_iniTIalized），打印错误提示及堆栈信息（但不是致命错误，所以还可以继续）
初始化kobj内部的参数，包括引用计数、list、各种标志等
根据输入参数，将ktype指针赋予kobj->ktype
kobject_add，将初始化完成的kobject添加到kernel中，参数包括需要添加的kobject、该kobject的parent（用于形成层次结构，可以为空）、用于提供kobject name的格式化字符串。主要执行逻辑为：
确认kobj不为空，确认kobj已经初始化，否则错误退出
调用内部接口kobject_add_varg，完成添加操作
kobject_init_and_add，是上面两个接口的组合，不再说明。
==========================内部接口======================================
kobject_add_varg，解析格式化字符串，将结果赋予kobj->name，之后调用kobject_add_internal接口，完成真正的添加操作。
kobject_add_internal，将kobject添加到kernel。主要执行逻辑为：
校验kobj以及kobj->name的合法性，若不合法打印错误信息并退出
调用kobject_get增加该kobject的parent的引用计数（如果存在parent的话）
如果存在kset（即kobj->kset不为空），则调用kobj_kset_join接口加入kset。同时，如果该kobject没有parent，却存在kset，则将它的parent设为kset（kset是一个特殊的kobject），并增加kset的引用计数
通过create_dir接口，调用sysfs的相关接口，在sysfs下创建该kobject对应的目录
如果创建失败，执行后续的回滚操作，否则将kobj->state_in_sysfs置为1
kobj_kset_join，负责将kobj加入到对应kset的链表中。
这种方式分配的kobject，会在引用计数变为0时，由kobject_put调用其ktype的release接口，释放内存空间，具体可参考后面有关kobject_put的讲解。
2. 使用kobject_create创建
Kobject模块可以使用kobject_create自行分配空间，并内置了一个ktype（dynamic_kobj_ktype），用于在计数为0是释放空间。代码如下：
1:
2: extern struct kobject * __must_check kobject_create(void);
3: extern struct kobject * __must_check kobject_create_and_add(const char *name,
4: struct kobject *parent);
1:
2: static void dynamic_kobj_release(struct kobject *kobj)
3: {
4: pr_debug("kobject: (%p): %s\n", kobj, __func__);
5: kfree(kobj);
6: }
7:
8: static struct kobj_type dynamic_kobj_ktype = {
9: .release = dynamic_kobj_release,
10: .sysfs_ops = &kobj_sysfs_ops,
11: };
kobject_create，该接口为kobj分配内存空间，并以dynamic_kobj_ktype为参数，调用kobject_init接口，完成后续的初始化操作。
kobject_create_and_add，是kobject_create和kobject_add的组合，不再说明。
dynamic_kobj_release，直接调用kfree释放kobj的空间。
3.3.3 Kobject引用计数的修改
通过kobject_get和kobject_put可以修改kobject的引用计数，并在计数为0时，调用ktype的release接口，释放占用空间。
1:
2: extern struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);
3: extern void kobject_put(struct kobject *kobj);
kobject_get，调用kref_get，增加引用计数。
kobject_put，以内部接口kobject_release为参数，调用kref_put。kref模块会在引用计数为零时，调用kobject_release。
==========================内部接口======================================
kobject_release，通过kref结构，获取kobject指针，并调用kobject_cleanup接口继续。
kobject_cleanup，负责释放kobject占用的空间，主要执行逻辑如下：
检查该kobject是否有ktype，如果没有，打印警告信息
如果该kobject向用户空间发送了ADD uevent但没有发送REMOVE uevent，补发REMOVE uevent
如果该kobject有在sysfs文件系统注册，调用kobject_del接口，删除它在sysfs中的注册
调用该kobject的ktype的release接口，释放内存空间
释放该kobject的name所占用的内存空间
3.3.4 Kset的初始化、注册
Kset是一个特殊的kobject，因此其初始化、注册等操作也会调用kobject的相关接口，除此之外，会有它特有的部分。另外，和Kobject一样，kset的内存分配，可以由上层软件通过kmalloc自行分配，也可以由Kobject模块负责分配，具体如下。
1:
2: extern void kset_init(struct kset *kset);
3: extern int __must_check kset_register(struct kset *kset);
4: extern void kset_unregister(struct kset *kset);
5: extern struct kset * __must_check kset_create_and_add(const char *name,
6: const struct kset_uevent_ops *u,
7: struct kobject *parent_kobj);
kset_init，该接口用于初始化已分配的kset，主要包括调用kobject_init_internal初始化其kobject，然后初始化kset的链表。需要注意的时，如果使用此接口，上层软件必须提供该kset中的kobject的ktype。
kset_register，先调用kset_init，然后调用kobject_add_internal将其kobject添加到kernel。
kset_unregister，直接调用kobject_put释放其kobject。当其kobject的引用计数为0时，即调用ktype的release接口释放kset占用的空间。
kset_create_and_add，会调用内部接口kset_create动态创建一个kset，并调用kset_register将其注册到kernel。
==========================内部接口======================================
kset_create，该接口使用kzalloc分配一个kset空间，并定义一个kset_ktype类型的ktype，用于释放所有由它分配的kset空间。