【linux kernel】devtmpfs文件系统分析

devtmpfs文件系统分析

一、开篇

​ 本篇文章主要从linux内核源码的角度分析devtmpfs文件系统。本篇作为分析过程的记录文章，以加深对devtmpfs文件系统的理解！

（注）本篇文章所有源码出自linux内核版本：4.19.4

二、devtmpfs简介

​ devtmpfs 的作用是在 linux 核心启动早期建立一个初步的 /dev，令一般启动程序不用等待 udev（udev 是Linux kernel 2.6系列的设备管理器。它主要的功能是管理/dev目录底下的设备节点。），从而缩短 GNU/Linux 的开机时间。

​ 在devtmpfs出现之前，/dev/下面的设备节点应该都是udev-daemon收到内核的事件后用mknod程序或者直接调mknod()系统调用创建出来的；在高版本的linux系统中，几乎所有的设备文件（比如/dev/sda1）都是内核直接创建。

​ devtmpfs允许内核在初始化时，即在驱动程序核心设备注册之前创建tmpfs。每个主/次设备都将在这个tmpfs实例中创建他的一个设备节点。当rootfs被内核挂载后，被填充的tmpfs被挂载在/dev路径上。在initramfs中，执行/sbin/init之前，可以将它移动到指定的根文件系统中。

三、devtmpfs内核源码分析

（2-1）devtmpfs初始化

​ 在linux内核中，对devtmpfs文件系统的初始化由devtmpfs_init()函数完成，该函数会创建devtmpfs文件系统实例，然后各个驱动模块核心会将设备节点添加到该文件系统中。devtmpfs_init()函数定义如下（/drivers/base/devtmpfs.c）：

int __init devtmpfs_init(void)
{int err = register_filesystem(&dev_fs_type);if (err) {printk(KERN_ERR "devtmpfs: unable to register devtmpfs ""type %i\n", err);return err;}thread = kthread_run(devtmpfsd, &err, "kdevtmpfs");if (!IS_ERR(thread)) {wait_for_completion(&setup_done);} else {err = PTR_ERR(thread);thread = NULL;}if (err) {printk(KERN_ERR "devtmpfs: unable to create devtmpfs %i\n", err);unregister_filesystem(&dev_fs_type);return err;}printk(KERN_INFO "devtmpfs: initialized\n");return 0;
}

从上面代码可见，与几乎所有的文件系统注册一样，在函数中都会调用register_filesystem()函数向linux内核注册文件系统。devtmpfs文件系统类型描述符dev_fs_type定义如下：

static struct file_system_type dev_fs_type = {.name = "devtmpfs",.mount = dev_mount,.kill_sb = kill_litter_super,
};

重点关注一下dev_mount挂载函数：

static struct dentry *dev_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags,const char *dev_name, void *data)
{
#ifdef CONFIG_TMPFSreturn mount_single(fs_type, flags, data, shmem_fill_super);
#elsereturn mount_single(fs_type, flags, data, ramfs_fill_super);
#endif
}

从以上代码可见，在执行devtmpfs挂载的时候，shmem_fill_super()或ramfs_fill_super()函数起着关键作用，这两个函数功能都是用于填充文件系统的超级块。ramfs_fill_super函数定义在（/fs/ramfs/inode.c）文件中，与ramfs相关；shmem_fill_super函数定义在（/mm/shmem.c）文件中。

再回到devtmpfs_init()函数中，当调用register_filesystem()注册文件系统成功后，将会继续调用kthread_run()创建devtmpfs运行线程：

	thread = kthread_run(devtmpfsd, &err, "kdevtmpfs");

该线程的入口函数是devtmpfsd，定义如下：

static int devtmpfsd(void *p)
{char options[] = "mode=0755";int *err = p;*err = ksys_unshare(CLONE_NEWNS);if (*err)goto out;*err = ksys_mount("devtmpfs", "/", "devtmpfs", MS_SILENT, options);if (*err)goto out;ksys_chdir("/.."); /* will traverse into overmounted root */ksys_chroot(".");complete(&setup_done);while (1) {spin_lock(&req_lock);//扫描请求链表，每当要创建一个设备节点时，都需要向requests链表中添加请求。while (requests) {struct req *req = requests;requests = NULL;spin_unlock(&req_lock);while (req) {struct req *next = req->next;//对链表中的每一个请求调用handle函数。req->err = handle(req->name, req->mode,req->uid, req->gid, req->dev);complete(&req->done);req = next;}spin_lock(&req_lock);}//设置为睡眠状态__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);spin_unlock(&req_lock);//主动执行系统线程切换schedule();}return 0;
out:complete(&setup_done);return *err;
}

在devtmpfsd线程入口函数中，会调用ksys_mount()内核系统调用挂载devtmpfs文件系统，接着是一个while(1){}的循环结构。用于处理设备节点请求和向devtmpfs文件系统注册设备节点信息。requests定义如下：

static struct req {struct req *next;struct completion done;int err;const char *name;umode_t mode;	/* 0 => delete */kuid_t uid;kgid_t gid;struct device *dev;
} *requests;

综上，总结一下：

linux 内核中，kdevtmpfs 线程是由 kdevtmpfs 内核模块创建和管理的一个后台线程。kdevtmpfs 是一种内核模块，用于支持 devtmpfs 文件系统的功能。

kdevtmpfs 线程的主要作用是处理设备的插拔事件，并相应地创建、删除或更新设备节点。它与 udev 守护进程紧密合作，通过监听内核中的设备事件通知机制来实现设备节点的动态管理。

当一个设备被插入或移除时，内核会触发相应的设备事件，并通知 kdevtmpfs 线程。kdevtmpfs 线程会根据事件的类型和相关信息，执行以下操作：

创建设备节点：当插入一个新设备时，kdevtmpfs 线程会检查设备的类型和属性，并在内存中创建对应的设备节点。设备节点包括设备的名称、权限和其他相关属性。创建的设备节点会与设备的驱动程序关联。

删除设备节点：当移除一个设备时，kdevtmpfs 线程会查找对应的设备节点，并将其从内存中删除。这样，设备节点将不再可用。

更新设备节点：有时，设备的属性可能会发生变化，如设备名称、权限等。在这种情况下，kdevtmpfs 线程会更新设备节点的相关属性，以保持节点信息与设备状态的一致性。

kdevtmpfs 线程与 udev 守护进程协同工作，共同完成设备节点的管理。udev 守护进程会监听 kdevtmpfs 线程发出的事件通知，并根据事件执行用户空间的规则和脚本，进一步处理设备的插拔事件，如加载设备驱动程序、配置设备等。

总结起来，kdevtmpfs 线程是由 kdevtmpfs 内核模块创建的一个后台线程，负责处理设备的插拔事件并维护 devtmpfs 文件系统中的设备节点。它与 udev 守护进程紧密配合，实现了设备节点的动态管理功能。

（2-2）devtmpfs_init的调用

devtmpfs文件系统对于linux内核中设备极为重要，所以在linux内核的driver_init()初始化函数中的第一个调用的函数就是：devtmpfs_init()，如下代码所示：

void __init driver_init(void)
{/* These are the core pieces *///devtmpfs文件系统初始化devtmpfs_init();devices_init();buses_init();classes_init();firmware_init();hypervisor_init();/* These are also core pieces, but must come after the* core core pieces.*/of_core_init();platform_bus_init();cpu_dev_init();memory_dev_init();container_dev_init();
}

drivers_init()在do_basice_setup()函数中被调用。然后接着是调用do_ctors();和do_initcalls();两个重要函数：

static void __init do_basic_setup(void)
{cpuset_init_smp();shmem_init();driver_init();init_irq_proc();do_ctors();usermodehelper_enable();do_initcalls();
}

下图是linux内核启动过程中输出的关于devtmpfs文件系统的注册信息。由devtmpfs_init()函数中：

printk(KERN_INFO "devtmpfs: initialized\n");

打印输出。

在上图中，"===========mount operate=========="输出字符串信息是小生写在ksys_mount()（注：4.19.4版本的内核是ksys_mount，低版本linux内核写的是sys_mount）函数中的printk()。从输出信息可知，linux启动过程中在此处进行了文件系统的挂载操作：由devtmpfsd线程函数中 *err = ksys_mount("devtmpfs", "/", "devtmpfs", MS_SILENT, options);函数触发。

本文完！！