1. 思考

如 果想让内核启动过程中自动加载某个模块该怎么做呢？最容易想到的方法就是到/etc/init.d/中添加一个启动脚本，然后在/etc/rcN.d/目 录下创建一个符号链接，这个链接的名字以S开头，这内核启动时，就会自动运行这个脚本了，这样就可以在脚本中使用modprobe来实现自动加载。但是我 们发现，内核中加载了许多硬件设备的驱动，而搜索/etc目录，却没有发现任何脚本负责加载这些硬件设备驱动程序的模块。那么这些模块又是如何被加载的 呢？

  • 每一个设备都有Verdon ID, Device ID, SubVendor ID等信息。而每一个设备驱动程序，必须说明自己能够为哪些Verdon ID, Deviece

ID, SubVendor ID的设备提供服务。以PCI设备为例，它是通过一个pci_device_id的数据结构来实现这个功能的。例如：RTL8139的pci_device_id定义为： 


static struct pci_device_id rtl8139_pci_tbl[] = {
        {0x10ec, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },
        {0x10ec, 0x8138, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },
        ......
}
MODULE_DEVICE_TABLE (pci, rtl8139_pci_tbl);


上面的信息说明，凡是Verdon ID为0x10EC, Device ID为0x8139, 0x8138的PCI设备(SubVendor ID和SubDeviceID为PCI_ANY_ID，表示不限制。)，都可以使用这个驱动程序(8139too)。

  • 在模块安装的时候，depmod会根据模块中的rtl8139_pci_tbl的信息，生成下面的信息，保存到/lib/modules/uname-r/modules.alias文件中，其内容如下： 


alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too
alias pci:v000010ECd00008139sv*sd*bc*sc*i* 8139too
......

v后面的000010EC说明其Vendor ID为10EC，d后面的00008138说明Device ID为8139，而sv,和sd为SubVendor ID和SubDevice ID，后面的星号表示任意匹配。

另外在/lib/modules/uname-r/modules.dep文件中还保存这模块之间的依赖关系，其内容如下：


(这里省去了路径信息。) 8139too.ko:mii.ko


  • 在内核启动过程中，总线驱动程序会会总线协议进行总线枚举(总线驱动程序总是集成在内核之中，不能够按模块方式加载，你可以通过make menuconfig进入Bus

options，这里面的各种总线，你只能够选择Y或N，而不能选择M.)，并且为每一个设备建立一个设备对象。每一个总线对象有一个kset对象，每一 个设备对象嵌入了一个kobject对象，kobject连接在kset对象上，这样总线和总线之间，总线和设备设备之间就组织成一颗树状结构。当总线驱 动程序为扫描到的设备建立设备对象时，会初始化kobject对象，并把它连接到设备树中，同时会调用kobject_uevent()把这个(添加新设 备的)事件，以及相关信息(包括设备的VendorID,DeviceID等信息。)通过netlink发送到用户态中。在用户态的udevd检测到这个 事件，就可以根据这些信息，打开/lib/modules/uname-r/modules.alias文件，根据


alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too

得知这个新扫描到的设备驱动模块为8139too。于是modprobe就知道要加载8139too这个模块了，同时modprobe根据 modules.dep文件发现，8139too依赖于mii.ko，如果mii.ko没有加载，modprobe就先加载mii.ko，接着再加载 8139too.ko。

试验

在你的shell中，运行： 


# ps aux | grep udevd

root     25063  ...... /sbin/udevd --daemon


我们得到udevd的进程ID为25063，现在结束这个进程：


# kill -9 25063

然后跟踪udevd，在shell中运行：

# strace -f /sbin/udevd --daemon

这时，我们看到udevd的输出如下：

...... close(8) = 0 munmap(0xb7f8c000, 4096) = 0 select(7, [3 4 5 6], NULL, NULL, NULL

我们发现udevd在这里被阻塞在select()函数中。

select函数原型如下：


int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 第一个参数：nfds表示最大的文件描述符号，这里为7(明明是6 ?)。 第二个参数：readfds为读文件描述符集合，这里为3,4,5,6. 第三个参数：writefds为写文件描述符集合，这里为NULL。 第四个参数：exceptfds为异常文件描述符集合，这里为NULL。 第五个参数：timeout指定超时时间，这里为NULL。


select函数的作用是：如果readfds中的任何一个文件有数据可读，或者witefds中的任何一个文件可以写入，或者exceptfds中的任 何一个文件出现异常时，就返回。否则阻塞当前进程，直到上诉条件满足，或者因阻塞时间超过了timeout指定的时间，当前进程被唤醒，select返 回。

所以，在这里udevd等待3,4,5,6这几个文件有数据可读，才会被唤醒。现在，到shell中运行： 


# ps aux | grep udevd
root     27615  ...... strace -o /tmp/udevd.debug -f /sbin/udevd --daemon
root     27617  ...... /sbin/udevd --daemon


udevd的进程id为27617，现在我们来看看select等待的几个文件： 


# cd /proc/27615/fd
# ls -l

udevd的标准输入，标准输出，标准错误全部为/dev/null.
0 -> /dev/null
1 -> /dev/null
2 -> /dev/null

udevd在下面这几个文件上等待。
3 -> /inotify
4 -> socket:[331468]
5 -> socket:[331469]
6 -> pipe:[331470]
7 -> pipe:[331470]


由于不方便在运行中插入一块8139的网卡，因此现在我们以一个U盘来做试验，当你插入一个U盘后，你将会看到strace的输出，从它的输出可以看到 udevd在select返回后，调用了modprobe加载驱动模块，并调用了sys_mknod，在dev目录下建立了相应的节点。 


execve("/sbin/modprobe", ["/sbin/modprobe", "-Q", "usb:v05ACp1301d0100dc00dsc00dp00"...]
......
mknod("/dev/sdb", S_IFBLK|0660, makedev(8, 16)) = 0
......


这里modprobe的参数"usb:v05AC..."对应modules.alias中的某个模块。

可以通过udevmonitor来查看内核通过netlink发送给udevd的消息，在shell中运行：


# udevmonitor --env

然后再插入U盘，就会看到相关的发送给udevd的消息。

== 内核处理过程 ==：

  • 这里我们以PCI总线为例，来看看在这个过程中，内核是如何处理的。当PCI总线驱动程序扫描到一个新的设备时，会建立一个设备对象，然后调用 pci_bus_add_device()函数，这个函数最终会调用kobject_uevent()通过netlink向用户态的udevd发送消息。 


int pci_bus_add_device(struct pci_dev *dev)
{
        int retval;
        retval = device_add(&dev->dev);

        ......

        return 0;
}


device_add()代码如下： 


int device_add(struct device *dev)
{
        struct device *parent = NULL;

        dev = get_device(dev);

        ......

        error = bus_add_device(dev);
        if (error)
                goto BusError;
        kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);
        ......
}

device_add()在准备好相关数据结构后，会调用kobject_uevent()，把这个消息发送到用户空间的udevd。 


int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action)
{
        return kobject_uevent_env(kobj, action, NULL);
}
int kobject_uevent_env(struct kobject *kobj, enum kobject_action action, char *envp_ext[])
{
        struct kobj_uevent_env *env;
        const char *action_string = kobject_actions[action];
        const char *devpath = NULL;
        const char *subsystem;
        struct kobject *top_kobj;
        struct kset *kset;
        struct kset_uevent_ops *uevent_ops;
        u64 seq;
        int i = 0;
        int retval = 0;

        ......

        /* default keys */
        retval = add_uevent_var(env, "ACTION=%s", action_string);
        if (retval)
                goto exit;
        retval = add_uevent_var(env, "DEVPATH=%s", devpath);
        if (retval)
                goto exit;
        retval = add_uevent_var(env, "SUBSYSTEM=%s", subsystem);
        if (retval)
                goto exit;

        /* keys passed in from the caller */
        if (envp_ext) {
                for (i = 0; envp_ext[i]; i++) {
                        retval = add_uevent_var(env, envp_ext[i]);
                        if (retval)
                                goto exit;
                }
        }

        ......

        /* 通过netlink发送消息，这样用户态的udevd进程就会从select()函数返回，并做相应的处理。 */
#if defined(CONFIG_NET)
        /* send netlink message */
        if (uevent_sock) {
                struct sk_buff *skb;
                size_t len;

                /* allocate message with the maximum possible size */
                len = strlen(action_string) + strlen(devpath) + 2;
                skb = alloc_skb(len + env->buflen, GFP_KERNEL);
                if (skb) {
                        char *scratch;

                        /* add header */
                        scratch = skb_put(skb, len);
                        sprintf(scratch, "%​​s@%s​​", action_string, devpath);

                        /* copy keys to our continuous event payload buffer */
                        for (i = 0; i < env->envp_idx; i++) {
                                len = strlen(env->envp[i]) + 1;
                                scratch = skb_put(skb, len);
                                strcpy(scratch, env->envp[i]);
                        }

                        NETLINK_CB(skb).dst_group = 1;
                        netlink_broadcast(uevent_sock, skb, 0, 1, GFP_KERNEL);
                }
        }
#endif

        ......
        return retval;
}



思考

现在我们知道/dev目录下的设备文件是由 udevd负责建立的，但是在内核启动过程中，需要mount一个根目录，通常我们的根目录是在硬盘上，比如：/dev/sda1， 但是硬盘对应的驱动程序没有加载前，/dev/sda1是不存在的， 如果没有/dev/sda1，就不能通过mount /dev/sda1 /来挂载根目录。另一方面udevd是一个可执行文件，如果连硬盘驱动程序到没有加载，根目录都不存在，udevd就不能运行。如果udevd不能运行， 那么就不会自动加载磁盘驱动程序，也就不能自动创建/dev/sda1。这不是死锁了吗？那么你的Linux是怎么启动的呢？