udev与硬件抽象层HAL的实现原理

相对于linux来说，udev还是一个新事物。然而，尽管它03年才出现，尽管它很低调(J)，但它无疑已经成为linux下不可或缺的组件了。udev是什么？它是如何实现的？最近研究Linux设备管理时，花了一些时间去研究udev的实现。

udev是什么？u 是指user space，dev是指device，udev是用户空间的设备驱动程序吗？最初我也这样认为，调试内核空间的程序要比调试用户空间的程序复杂得多，内核空间的程序的BUG所引起的后果也严重得多，device driver是内核空间中所占比较最大的代码，如果把这些device driver中硬件无关的代码，从内核空间移动到用户空间，自然是一个不错的想法。

但我的想法并不正确，udev的文档是这样说的，

1. dynamic replacement for /dev。作为devfs的替代者，传统的devfs不能动态分配major和minor的值，而major和minor非常有限，很快就会用完了。udev能够像DHCP动态分配IP地址一样去动态分配major和minor。

2. device naming。提供设备命名持久化的机制。传统设备命名方式不具直观性，像/dev/hda1这样的名字肯定没有boot_disk这样的名字直观。udev能够像DNS解析域名一样去给设备指定一个有意义的名称。

3. API to access info about current system devices 。提供了一组易用的API去操作sysfs，避免重复实现同样的代码，这没有什么好说的。

我们知道，用户空间的程序与设备通信的方法，主要有以下几种方式，

1. 通过ioperm获取操作IO端口的权限，然后用inb/inw/ inl/ outb/outw/outl等函数，避开设备驱动程序，直接去操作IO端口。（没有用过）

2. 用ioctl函数去操作/dev目录下对应的设备，这是设备驱动程序提供的接口。像键盘、鼠标和触摸屏等输入设备一般都是这样做的。

3. 用write/read/mmap去操作/dev目录下对应的设备，这也是设备驱动程序提供的接口。像framebuffer等都是这样做的。

上面的方法在大多数情况下，都可以正常工作，但是对于热插拨(hotplug)的设备，比如像U盘，就有点困难了，因为你不知道：什么时候设备插上了，什么时候设备拔掉了。这就是所谓的hotplug问题了。

处理hotplug传统的方法是，在内核中执行一个称为hotplug的程序，相关参数通过环境变量传递过来，再由hotplug通知其它关注hotplug事件的应用程序。这样做不但效率低下，而且感觉也不那么优雅。新的方法是采用NETLINK实现的，这是一种特殊类型的socket，专门用于内核空间与用户空间的异步通信。下面的这个简单的例子，可以监听来自内核hotplug的事件。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <ctype.h>

#include <sys/un.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <sys/socket.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/netlink.h>

#include <errno.h>

static int init_hotplug_sock(void)

{

struct sockaddr_nl snl;

const int buffersize = 16 * 1024 * 1024;

int retval;

memset(&snl, 0x00, sizeof(struct sockaddr_nl));

snl.nl_family = AF_NETLINK;

snl.nl_pid = getpid();

snl.nl_groups = 1;

int hotplug_sock = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_KOBJECT_UEVENT);

if (hotplug_sock == -1) {

printf("error getting socket: %s", strerror(errno));

return -1;

}

/* set receive buffersize */

setsockopt(hotplug_sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUFFORCE, &buffersize, sizeof(buffersize));

retval = bind(hotplug_sock, (struct sockaddr *) &snl, sizeof(struct sockaddr_nl));

if (retval < 0) {

printf("bind failed: %s", strerror(errno));

close(hotplug_sock);

hotplug_sock = -1;

return -1;

}

return hotplug_sock;

}

#define UEVENT_BUFFER_SIZE 2048

int main(int argc, char* argv[])

{

int hotplug_sock = init_hotplug_sock();

while(1)

{

char buf[UEVENT_BUFFER_SIZE*2] = {0};

recv(hotplug_sock, &buf, sizeof(buf), 0);

printf("%s/n", buf);

}

return 0;

}

编译：

gcc -g hotplug.c -o hotplug_monitor

运行后插/拔U盘，可以看到：

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/usbdev2.2_ep00

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0

add@/class/scsi_host/host2

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep81

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep02

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep83

add@/class/usb_device/usbdev2.2

add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/host2/target2:0:0/2:0:0:0

add@/class/scsi_disk/2:0:0:0

add@/block/sda

add@/block/sda/sda1

add@/class/scsi_device/2:0:0:0

add@/class/scsi_generic/sg0

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep81

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep02

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/usbdev2.2_ep83

remove@/class/scsi_generic/sg0

remove@/class/scsi_device/2:0:0:0

remove@/class/scsi_disk/2:0:0:0

remove@/block/sda/sda1

remove@/block/sda

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0/host2/target2:0:0/2:0:0:0

remove@/class/scsi_host/host2

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/2-1:1.0

remove@/class/usb_device/usbdev2.2

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1/usbdev2.2_ep00

remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.1/usb2/2-1

udev的主体部分在udevd.c文件中，它主要监控来自4个文件描述符的事件/消息，并做出处理：

1. 来自客户端的控制消息。这通常由udevcontrol命令通过地址为/org/kernel/udev/udevd的本地socket，向udevd发送的控制消息。其中消息类型有：

l UDEVD_CTRL_STOP_EXEC_QUEUE 停止处理消息队列。

l UDEVD_CTRL_START_EXEC_QUEUE 开始处理消息队列。

l UDEVD_CTRL_SET_LOG_LEVEL 设置LOG的级别。

l UDEVD_CTRL_SET_MAX_CHILDS 设置最大子进程数限制。好像没有用。

l UDEVD_CTRL_SET_MAX_CHILDS_RUNNING 设置最大运行子进程数限制(遍历proc目录下所有进程，根据session的值判断)。

l UDEVD_CTRL_RELOAD_RULES 重新加载配置文件。

2. 来自内核的hotplug事件。如果有事件来源于hotplug，它读取该事件，创建一个udevd_uevent_msg对象，记录当前的消息序列号，设置消息的状态为EVENT_QUEUED,然后并放入running_list和exec_list两个队列中，稍后再进行处理。

3. 来自signal handler中的事件。signal handler是异步执行的，即使有signal产生，主进程的select并不会唤醒，为了唤醒主进程的select，它建立了一个管道，在signal handler中，向该管道写入长度为1个子节的数据，这样就可以唤醒主进程的select了。

4. 来自配置文件变化的事件。udev通过文件系统inotify功能，监控其配置文件目录/etc/udev/rules.d，一旦该目录中文件有变化，它就重新加载配置文件。

其中最主要的事件，当然是来自内核的hotplug事件，如何处理这些事件是udev的关键。udev本身并不知道如何处理这些事件，也没有必要知道，因为它只实现机制，而不实现策略。事件的处理是由配置文件决定的，这些配置文件即所谓的rule。

关于rule的编写方法可以参考《writing_udev_rules》，udev_rules.c实现了对规则的解析。

在规则中，可以让外部应用程序处理某个事件，这有两种方式，一种是直接执行命令，通常是让modprobe去加载驱动程序，或者让mount去加载分区。另外一种是通过本地socket发送消息给某个应用程序。

在udevd.c:udev_event_process函数中，我们可以看到，如果RUN参数以”socket:”开头则认为是发到socket，否则认为是执行指定的程序。

下面的规则是执行指定程序：

60-pcmcia.rules: RUN+="/sbin/modprobe pcmcia"

下面的规则是通过socket发送消息：

90-hal.rules:RUN+="socket:/org/freedesktop/hal/udev_event"

hal正是我们下一步要关心的，接下来我会分析HAL的实现原理。

HAL是Hardware Abstraction Layer的首字母缩写。我最早是在Winnt 3.5的帮助中知道这个名词的，对帮助文档中的说法我比较认同，所以一直对它抱有好感。不过Windows下的HAL和Linux下的HAL两者所指并非相同之物：

Windows下的HAL：位于操作系统的最底层，直接操作物理硬件，隔离与硬件相关的信息，为上层的操作系统和设备驱动程序提供一个统一的接口，起到对硬件的抽象作用。有了HAL，编写驱动程序就容易多了，因为HAL的接口不但使用简单，而且具有更好的可移植性（没用过）。

Linux 下的HAL：至于对硬件的抽象，Linux内核早就有类似机制，只不过没有专门的名称罢了。而Linux的HAL指的并非这个，它不是位于操作系统的最底层，直接操作硬件，相反，它位于操作系统和驱动程序之上，是一个运行在用户空间中服务程序。

我们知道，Linux和所有的Unix一样，习惯用文件来抽象设备，任何设备都是一个文件，比如/dev/mouse是鼠标的设备文件。这种方法看起来不错，每个设备都有统一的形式，但使用并不那么容易，设备文件名没有什么规范，从简单的一个文件名，你无法得知它是什么设备，具有有什么特性。

结果形成这样的尴尬：有了设备和设备驱动程序，却不知道如何使用它。这些乱七八糟的设备文件，让设备的管理和应用程序的开发都变得很麻烦，所以有必要提供一个硬件抽象层，来为上层应用程序提供一个统一的接口，Linux的HAL就这样应运而生了。

但HAL并不提供诸如拍照和刻录等之类的功能，相反它只是告诉应用程序，系统中有哪些设备可用，以及这些设备的类型、特性和能力等。主要说来，它提供以下几项功能：

1. 获取指定类型的设备列表。

2. 获取/更改设备的属性值。

3. 获取设备具有的能力描述。

4. 设备插入/拔除时，通知相关应用程序。

5. 设备属性或能力变化时，通知相关应用程序。

udev创建dev下的文件结点，加载驱动程序，让设备处于可用状态。而HAL则告诉应用程序，现在有哪些设备可用，这些设备的类型、特性和能力，让应用程序知道如何使用它们。

设备的属性管理是HAL最重要任务之一，有的设备属性来源于实际的硬件，有的来源于设备信息文件(/usr/share/hal/fdi/)，有的来源其它配置信息(如/usr/share/hwdata/)。设备属性的都有标准的定义，这些属性定义是HAL的SPEC的主要内容之一，可以参考http://people.freedesktop.org/~david/hal-spec/hal-spec.html。

HAL作为一个后台服务程序运行，它的主体架构基于MVC的模型，在DBUS的帮助下，实现了异步事件通知机制。HAL的分层视图如下：

<shapetype id="_x0000_t75" stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"><stroke joinstyle="miter"></stroke><formulas><f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></f><f eqn="sum @0 1 0"></f><f eqn="sum 0 0 @1"></f><f eqn="prod @2 1 2"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @0 0 1"></f><f eqn="prod @6 1 2"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></f><f eqn="sum @8 21600 0"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @10 21600 0"></f></formulas><path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></path><lock aspectratio="t" v:ext="edit"></lock></shapetype><shape id="_x0000_i1025" style="WIDTH: 414.75pt; HEIGHT: 293.25pt" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata o:title="" src="file:///C:/DOCUME~1/q/LOCALS~1/Temp/msoclip1/02/clip_image001.png"></imagedata></shape>

说明：

1. 实线箭头为主动调用，虚线箭头为事件上报。

2. udev通过NetLink注册内核的设备事件，当有设备插入/拔除时，udev就会收到通知，它会从事件中所带参数和sysfs中的信息，加载适当的驱动程序，创建dev下的结点，让设备处于可用的状态。

3. udev只是一个框架，它的行为完全受它的规则所控制，这些规则存放在目录/etc/udev/rules.d/中，其中90-hal.rules是用来让udev把设备插入/拔除的事件通过socket socket:/org/freedesktop/hal/udev_event转发给HAL的。

4. HAL挂在socket:/org/freedesktop/hal/udev_event上等待事件，有事件发生时就调用函数hald_udev_data处理，它先从事件中取出主要参数，创建一个hotplug_event对象，把它放入事件队列中，然后调用hotplug_event_process_queue处理事件。

5. 函数hotplug_event_begin负责具体事件的处理，它把全部事件分为四类，并分别处理hotplug_event_begin_sysfs处理普通设备事件，hotplug_event_begin_acpi处理ACPI事件，hotplug_event_begin_apm处理APM事件，hotplug_event_begin_pmu处理PMU事件。要注意的是，后三者的事件源并非源于udev，而是在device_reprobe时触发的(osspec_device_reprobe/hotplug_reprobe_tree/hotplug_reprobe_generate_add_events/acpi_generate_add_hotplug_event)。

6. 函数hotplug_event_begin_sysfs中，如果是插入设备，则创建一个设备对象，设置设备的属性，调用相关callouts，然后放入设备列表中，并触发signal让dbus通知相关应用程序。如果是拔除设备，则调用相关callouts，然后从设备列表中删除，并触发signal让dbus通知相关应用程序。

7. 应用程序可以主动调用HAL提供的DBUS接口函数，这些函数在libhal.h中有定义。应用程序也可以注册HAL的signal，当设备变化时，HAL通过DBUS上报事件给应用程序。

8. callout是HAL一种扩展方式，它在设备插入/拔除时执行。可以在设备信息文件中(/usr/share/hal目录)指定。

9. addon也是HAL一种扩展方式，它与callout的不同之处在于addon往往是事件的触发者，而不是事件的消费者。HAL的事件源主要源于udev，而udev源于kernel的hotplug，然而有的设备如电源设备、磁盘设备和特殊按键等，它们并不产生hotplug事件。HAL就得不到通知，怎么办呢，addon就是用于支持新事件源的扩展方式。比如addon-acpi从/proc/acpi/event或者/var/run/acpid.socket收到事件，然后转发成HAL事件。addon-storage检测光盘或磁盘的状态，并设置设备的属性。addon-keyboard检测一些特殊按键，并触发相应事件。

access-check/ci-tracker/ck-tracker负责权限的检查，里面提到的PolicyKit/ConsoleKit不是太熟悉，有时间再看看。

简单的说，HAL就是一个设备数据库，它管理当前系统中所有的设备，你可以以多种灵活的方式去查询这些设备，可以获取指定设备的特性，可以注册设备变化事件。