devtmpfs文件系统创建设备节点

转载来自：wangbaolin719的ChinaUnix博客 

  1. 一、devtmpfs概述
  1. 1.devtmpfs 的功用是在 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，缩短 GNU/Linux 的开机时间。
  2. 2.重要解释
  3. Devtmpfs lets the kernel create a tmpfs very early at kernel initialization, before any driver core device is registered. Every device with a major/minor will have a device node created in this tmpfs instance. After the rootfs is mounted by the kernel, the populated tmpfs is mounted at /dev. In initramfs, it can be moved to the manually mounted root filesystem before /sbin/init is executed.
  4. 3.menuconfig 中加入devtmpfs支持 
  5. make menuconfig-->Device Drivers-->Generic Driver Options
  6. Maintain a devtmpfs filesystem to mount at /dev
  7. Automount devtmpfs at /dev, after the kernel mounted the rootfs
  8. 4.df -T显示devtmpfs
  9. 文件系统 类型 1K-块 已用 可用 已用% 挂载点
  10. /dev/sda1 ext4 31621016 14985712 15029008 50% /
  11. none devtmpfs 399552 276 399276 1% /dev
  12. none tmpfs 403804 24 403780 1% /dev/shm
  13. none tmpfs 403804 108 403696 1% /var/run
  14. none tmpfs 403804 0 403804 0% /var/lock
  15. none tmpfs 403804 0 403804 0% /lib/init/rw
  16. .host:/ vmhgfs 67151668 54038400 13113268 81% /mnt/hgfs
  17. /dev/loop0 ext2 16119 8528 6772 56% /mnt/loop
  18. 二、devtmpfs文件系统初始化
  19. void __init driver_init(void)
  20. { 
  21.     /* These are the core pieces */
  22.     devtmpfs_init();//devtmpfs文件系统初始化
  23.     devices_init();
  24.     buses_init();
  25.     classes_init();
  26.     firmware_init();
  27.     hypervisor_init();
  28.     platform_bus_init();
  29.     system_bus_init();
  30.     cpu_dev_init();
  31.     memory_dev_init();
  32. }
  33. static struct file_system_type dev_fs_type = {
  34.     .name = "devtmpfs",
  35.     .mount = dev_mount,
  36.     .kill_sb = kill_litter_super,
  37. };
  38. int __init devtmpfs_init(void)
  39. {
  40.     int err = register_filesystem(&dev_fs_type);//注册dev_fs_type文件系统，即将dev_fs_type添加到内核全局总链表中file_systems
  41.     if (err) {
  42.         printk(KERN_ERR "devtmpfs: unable to register devtmpfs ""type %i ", err);
  43.         return err;
  44.     }
  45.     thread = kthread_run(devtmpfsd, &err, "kdevtmpfs");//创建并启动一个内核线程devtmpfsd
  46.     if (!IS_ERR(thread)) {
  47.         wait_for_completion(&setup_done);//进行一个不可打断的等待,允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成
  48.     } else {
  49.         err = PTR_ERR(thread);
  50.         thread = NULL;
  51.     }
  52.     if (err) {
  53.         printk(KERN_ERR "devtmpfs: unable to create devtmpfs %i ", err);
  54.         unregister_filesystem(&dev_fs_type);
  55.         return err;
  56.     }
  57.     printk(KERN_INFO "devtmpfs: initialized ");
  58.     return 0;
  59. }
  60. //请求创建设备节点的请求队列req结构
  61. static struct req {
  62.     struct req *next;
  63.     struct completion done;
  64.     int err;
  65.     const char *name;
  66.     umode_t mode;//0代表删除
  67.     struct device *dev;
  68. } *requests;
  69. //内核线程devtmpfsd
  70. static int devtmpfsd(void *p)
  71. {
  72.     char options[] = "mode=0755";
  73.     int *err = p;
  74.     *err = sys_unshare(CLONE_NEWNS);
  75.     if (*err)
  76.         goto out;
  77.     //挂载devtmpfs文件系统
  78.     //devtmpfs是待安装设备的路径名，“/”是安装点路径名，”devtmpfs“表示文件系统类型，MS_SILENT=32768，即0x8000
  79.     *err = sys_mount("devtmpfs", "/", "devtmpfs", MS_SILENT, options);
  80.     if (*err)
  81.         goto out;
  82.     sys_chdir("/.."); //将进程的当前工作目录(pwd)设定为devtmpfs文件系统的根目录/* will traverse into overmounted root */
  83.     sys_chroot(".");
  84.     complete(&setup_done);//允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成
  85.     while (1) {
  86.         spin_lock(&req_lock);
  87.         while (requests) {//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
  88.             struct req *req = requests;//赋值给临时req
  89.             requests = NULL;//清空
  90.             spin_unlock(&req_lock);
  91.             while (req) {//遍历刚才requests的请求链表
  92.                 struct req *next = req->next;
  93.                 req->err = handle(req->name, req->mode, req->dev);//对链表中的每一个请求调用handle函数
  94.                 complete(&req->done);
  95.                 req = next;
  96.             }
  97.             spin_lock(&req_lock);
  98.         }
  99.         __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);//设置为睡眠状态
  100.         spin_unlock(&req_lock);
  101.         schedule();//系统切换
  102.     }
  103.     return 0;
  104. out:
  105.     complete(&setup_done);
  106.     return *err;
  107. }
  108. static int handle(const char *name, umode_t mode, struct device *dev)
  109. {
  110.     if (mode)
  111.         return handle_create(name, mode, dev);
  112.     else
  113.         return handle_remove(name, dev);
  114. }
  115. static int handle_create(const char *nodename, umode_t mode, struct device *dev)
  116. {
  117.     struct dentry *dentry;
  118.     struct path path;
  119.     int err;
  120.     //查找节点名称的路径以及返回节点对应的父目录dentry结构，即在此目录下创建一个设备节点，即是/dev目录对应的dentry结构
  121.     dentry = kern_path_create(AT_FDCWD, nodename, &path, 0);
  122.     if (dentry == ERR_PTR(-ENOENT)) {
  123.         create_path(nodename);
  124.         dentry = kern_path_create(AT_FDCWD, nodename, &path, 0);
  125.     }
  126.     if (IS_ERR(dentry))
  127.         return PTR_ERR(dentry);
  128.     //创建设备节点
  129.     err = vfs_mknod(path.dentry->d_inode,dentry, mode, dev->devt);
  130.     if (!err) {
  131.         struct iattr newattrs;
  132.         newattrs.ia_mode = mode;/* fixup possibly umasked mode */
  133.         newattrs.ia_valid = ATTR_MODE;
  134.         mutex_lock(&dentry->d_inode->i_mutex);
  135.         notify_change(dentry, &newattrs);
  136.         mutex_unlock(&dentry->d_inode->i_mutex);
  137.         dentry->d_inode->i_private = &thread;/* mark as kernel-created inode */
  138.     }
  139.     done_path_create(&path, dentry);//与前边kern_path_create对应，减少path和dentry的计数等
  140.     return err;
  141. }
  142. int vfs_mknod(struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)
  143. {
  144.     int error = may_create(dir, dentry);//检查是否可以创建设备文件节点
  145.     if (error)
  146.         return error;
  147.     //必须是字符设备或者块设备，且具有创建节点的权限
  148.     if ((S_ISCHR(mode) || S_ISBLK(mode)) && !capable(CAP_MKNOD))
  149.         return -EPERM;
  150.     if (!dir->i_op->mknod)
  151.         return -EPERM;
  152.     error = devcgroup_inode_mknod(mode, dev);
  153.     if (error)
  154.         return error;
  155.     error = security_inode_mknod(dir, dentry, mode, dev);
  156.     if (error)
  157.         return error;
  158.     //调用具体文件系统的mknod()函数
  159.     //mount时调用shmem_fill_super()-->shmem_get_inode()分配inode节点时做出的初始化
  160.     /*那么在shmem_get_inode中
  161.         caseS_IFDIR:
  162.         inc_nlink(inode);
  163.         inode->i_size= 2 * BOGO_DIRENT_SIZE;
  164.         inode->i_op= &shmem_dir_inode_operations;
  165.         inode->i_fop= &simple_dir_operations;
  166.         由于mountpoint是dev这个目录，所以dev对应的inode的i_op就是shmem_dir_inode_operations。
  167.         staticconst struct inode_operations shmem_dir_inode_operations = {
  168.             #ifdefCONFIG_TMPFS
  169.             .create =shmem_create,
  170.             .lookup =simple_lookup,
  171.             .link =shmem_link,
  172.             .unlink =shmem_unlink,
  173.             .symlink =shmem_symlink,
  174.             .mkdir =shmem_mkdir,
  175.             .rmdir =shmem_rmdir,
  176.             .mknod =shmem_mknod,
  177.             .rename =shmem_rename,
  178.             #endif
  179.             #ifdefCONFIG_TMPFS_POSIX_ACL
  180.             .setattr =shmem_notify_change,
  181.             .setxattr =generic_setxattr,
  182.             .getxattr =generic_getxattr,
  183.             .listxattr =generic_listxattr,
  184.             .removexattr =generic_removexattr,
  185.             .check_acl =generic_check_acl,
  186.             #endif
  187.             };
  188.         */
  189.     error = dir->i_op->mknod(dir, dentry, mode, dev);//所以这里调用的就是shmem_mknod
  190.     if (!error)
  191.         fsnotify_create(dir, dentry);
  192.     return error;
  193. }
  194. shmem_mknod(struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)
  195. {
  196.     struct inode *inode;
  197.     int error = -ENOSPC;
  198.     inode = shmem_get_inode(dir->i_sb, dir, mode, dev, VM_NORESERVE);//获得一个要创建的设备节点的inode，并初始化
  199.     if (inode) {
  200.         error = security_inode_init_security(inode, dir,&dentry->d_name,shmem_initxattrs, NULL);
  201.         if (error) {
  202.             if (error != -EOPNOTSUPP) {
  203.                 iput(inode);
  204.                 return error;
  205.             }
  206.         }
  207. #ifdef CONFIG_TMPFS_POSIX_ACL
  208.         error = generic_acl_init(inode, dir);
  209.         if (error) {
  210.             iput(inode);
  211.             return error;
  212.         }
  213. #else
  214.         error = 0;
  215. #endif
  216.         dir->i_size += BOGO_DIRENT_SIZE;
  217.         dir->i_ctime = dir->i_mtime = CURRENT_TIME;
  218.         d_instantiate(dentry, inode);//与dentry建立关,此时就可以在/dev下看到这个字符设备节点了
  219.         dget(dentry); //递减dentry的计数
  220.     }
  221.     return error;
  222. }
  223. 三、文件系统的mount
  224. 内核主要是通过kernel_init调用prepare_namespace()函数执行安装实际根文件系统的操作：
  225. void __init prepare_namespace(void) 
  226. { 
  227.     int is_floppy; 
  228.     if (root_delay) { 
  229.         printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device... ", 
  230.                root_delay); 
  231.         ssleep(root_delay); 
  232.     } 
  233.     wait_for_device_probe(); 
  234.     md_run_setup(); 
  235.     /* 把root_device_name变量置为从启动参数“root”中获取的设备文件名。 
  236.   * 同样，把ROOT_DEV变量置为同一设备文件的主设备号和次设备号。*/ 
  237.     if (saved_root_name[0]) { 
  238.         root_device_name = saved_root_name; 
  239.         if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) || 
  240.             !strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) { 
  241.             mount_block_root(root_device_name, root_mountflags); 
  242.             goto out; 
  243.         } 
  244.         ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);//转换为设备号/dev/mtdblock2. 
  245.         if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0) 
  246.             root_device_name += 5; 
  247.     } 
  248.     if (initrd_load()) 
  249.         goto out; 
  250.     /* wait for any asynchronous scanning to complete */ 
  251.     if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) { 
  252.         printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s... ", 
  253.             saved_root_name); 
  254.         while (driver_probe_done() != 0 || 
  255.             (ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0) 
  256.             msleep(100); 
  257.         async_synchronize_full(); 
  258.     } 
  259.     is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR; 
  260.     if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0)) 
  261.         ROOT_DEV = Root_RAM0; 
  262.     mount_root(); 
  263. out: 
  264.     devtmpfs_mount("dev");//挂载devtmpfs文件系统 
  265.     sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL); /* 移动rootfs文件系统根目录上的已安装文件系统的安装点。 */ 
  266.     sys_chroot("."); 
  267. } 
  268. int devtmpfs_mount(const char *mntdir)
  269. {
  270.     int err;
  271.     if (!mount_dev)
  272.         return 0;
  273.     if (!thread)
  274.         return 0;
  275.     //将devtmpfs文件系统挂载到/dev目录下
  276.     err = sys_mount("devtmpfs", (char *)mntdir, "devtmpfs", MS_SILENT, NULL);
  277.     if (err)
  278.         printk(KERN_INFO "devtmpfs: error mounting %i ", err);
  279.     else
  280.         printk(KERN_INFO "devtmpfs: mounted ");
  281.     return err;
  282. }
  283. 四、devtmpfs创建节点
  284. 系统在启动过程中，扫描到的设备会通过devtmpfs_create_node()函数来添加设备节点。
  285. int devtmpfs_create_node(struct device *dev)
  286. {
  287.     const char *tmp = NULL;
  288.     struct req req;
  289.     if (!thread)
  290.     return 0;
  291.     req.mode = 0;
  292.     req.name = device_get_devnode(dev, &req.mode, &tmp);//获得设备名
  293.     if (!req.name)
  294.         return -ENOMEM;
  295.     if (req.mode == 0)
  296.         req.mode = 0600;
  297.     if (is_blockdev(dev))
  298.         req.mode |= S_IFBLK;//块设备
  299.     else
  300.         req.mode |= S_IFCHR;//字符设备
  301.     req.dev = dev;
  302.     init_completion(&req.done);
  303.     spin_lock(&req_lock);
  304.     req.next = requests;//请求添加到requests链表
  305.     requests = &req;
  306.     spin_unlock(&req_lock);
  307.     wake_up_process(thread);//唤醒内核线程devtmpfsd添加设备节点
  308.     wait_for_completion(&req.done);
  309.     kfree(tmp);
  310.     return req.err;
  311. }
  312. const char *device_get_devnode(struct device *dev,umode_t *mode, const char **tmp)
  313. {
  314.     char *s;
  315.     *tmp = NULL;
  316.     /* the device type may provide a specific name */
  317.     if (dev->type && dev->type->devnode)
  318.         *tmp = dev->type->devnode(dev, mode);
  319.     if (*tmp)
  320.         return *tmp;
  321.     /* the class may provide a specific name */
  322.     if (dev->class && dev->class->devnode)
  323.         *tmp = dev->class->devnode(dev, mode);
  324.     if (*tmp)
  325.         return *tmp;
  326.     /* return name without allocation, tmp == NULL */
  327.     if (strchr(dev_name(dev), '!') == NULL)
  328.         return dev_name(dev);
  329.     /* replace '!' in the name with '/' */
  330.     *tmp = kstrdup(dev_name(dev), GFP_KERNEL);
  331.     if (!*tmp)
  332.         return NULL;
  333.     while ((s = strchr(*tmp, '!')))
  334.         s[0] = '/';
  335.     return *tmp;
  336. }
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