Linux内核编程（十二）热插拔

一、知识点

1. 热插拔概念

   热插拔就是带电插拔，用人话讲就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下拆卸或安装硬盘，板卡等设备。热插拔是内核和用户空间之间，通过调用用户空间程序实现交互来实现的。当内核发生了某种热拔插事件时，内核就会调用用户空间的程序来实现交互。

2. 热插拔机制

   热插拔机制有devfs、udev、mdev。其中devfs已经不再使用。嵌入式设备上一般使用mdev，X86上一般用udev，当然嵌入式设备上也可以用udev。与 udev 不同，mdev 的设计更加简洁，是udev的简化版本。

（1） udev是基于Netlink 机制实现的。 工作原理如下：
   ① 当有设备插入或移除时，内核会生成一个 uevent 事件。
   ② 内核通过 Netlink 套接字将 uevent 事件发送给用户空间。
   ③用户空间的 udev 守护进程会打开一个 Netlink 套接字并持续监听，通过监听内核发送的 uevent 来执行相应的热插拔操作，如创建设备节点、设置权限、运行脚本等。

（2）mdev 主要工作机制是基于 uevent_helper。工作原理如下：
   ①当设备插入、移除或状态改变时，内核会生成一个 uevent 事件。
   ②内核通过 uevent_helper 机制调用用户空间的程序来处理这些事件。uevent_helper 的路径存储在 /proc/sys/kernel/hotplug 文件中，通常指向 /sbin/mdev。
   ③mdev 作为一个可执行程序被内核调用，通过读取环境变量中的事件信息来处理设备事件。它根据配置文件（通常是 /etc/mdev.conf）中定义的规则，执行相应的操作。

3. Netlink机制

   Linux提供了多种方式实现内核和用户空间的数据交换，比如我们之前讲过的系统调用，sysfs,等，但是这种通信机制均为单工通信机制。而 netlink,是基于 socket 通信机制，具体双工的特点。可以很好的满足内核和用户空间的数据交换。

二、内核发送uevent事件到用户空间

前提：需要创建kest来完成。

1. kobject发送uevent事件

返回 0 表示成功，返回负值表示发生了错误。

int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action)
/*
struct kobject *kobj：指向 kobject 结构体的指针，表示发生事件的内核对象。
enum kobject_action action：表示事件的类型。
		KOBJ_ADD,     // 表示有新的设备或内核对象被添加到系统中。
		KOBJ_REMOVE,  // 表示设备或内核对象被从系统中移除。
		KOBJ_CHANGE,  // 表示设备或内核对象的状态发生变化。
		KOBJ_MOVE,    // 表示设备或内核对象在系统中被移动到另一个位置。
		KOBJ_ONLINE,  // 表示设备或内核对象上线，准备使用。
		KOBJ_OFFLINE, // 表示设备或内核对象下线，不再可用。
		KOBJ_MAX      // 这是枚举值的最大值，通常用于检查枚举的范围。
*/

2. udevadm命令查看

   udevadm 是 udev 的命令行工具，提供了用于调试和管理 udev 设备管理器的各种功能。它允许用户查询设备信息、模拟设备事件、测试规则和管理 udev 数据库等。

udevadm info //用于显示设备的详细信息。常用选项包括 --query=all（显示所有信息）和 --name=DEVICE（指定设备节点，例如 /dev/sda）。
udevadm monitor //用于实时监视 udev 事件。可以使用 --udev（仅显示 udev 事件）和 --kernel（显示内核事件）选项。
udevadm test //用于测试 udev 规则对设备的作用。常用选项包括 --action=ACTION（指定动作类型，如 add 或 remove），需要指定设备路径，例如 /sys/class/net/eth0。
udevadm trigger //用于手动触发 udev 事件。可以使用 --action=ACTION（指定触发的动作类型，例如 add 或 remove）和 --subsystem-match=SUBSYSTEM（仅触发匹配指定子系统的设备）选项。
udevadm control //用于控制 udev 守护进程的行为。常用选项包括 --reload（重新加载 udev 配置文件和规则）、--stop（停止 udev 守护进程）和 --start（启动 udev 守护进程）。
udevadm settle //用于等待所有当前的 udev 事件处理完毕。可以设置超时时间（秒），使用 --timeout=TIME 选项，默认超时时间是 30 秒。
udevadm --version //显示 udevadm 的版本信息.

★示例代码：

uevent.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/slab.h>  // For kzalloc

struct kobject *mykobject01;
struct kset *my_kset;
struct kobj_type mytype;

static int __init mykobj_init(void)
{
    int ret;
    //1. 创建kest
    my_kset=kset_create_and_add("my_kset",NULL,NULL); //在sys下创建my_kset目录.
    //2. 创建kobject1
    mykobject01= kzalloc(sizeof(struct kobject), GFP_KERNEL); 
    mykobject01->kset=my_kset;
    ret = kobject_init_and_add(mykobject01, &mytype, NULL, "mykobject01");
    // 发送uevent事件
	ret=kobject_uevent(mykobject01,KOBJ_CHANGE);
    return 0;
}

static void __exit mykobj_exit(void)
{
    kobject_put(mykobject01);
    kset_unregister(my_kset);
}

module_init(mykobj_init);
module_exit(mykobj_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

   测试：首先使用udevadm monitor &命令来后台实时监视kobject 的 udev 事件，然后我们将uevent.ko文件加载、卸载时，查看输出信息如下。因为我们检测的是状态改变，只要发送改变就会发送uevent 事件。

★优化：完善kset_uevent_ops（热插拔事件结构体）

   热插拔事件意思就是当kset目录下有任何变动，包括目录的移动，增加目录或者属性文件等操作。
   当系统配置发生变化时，如添加kset到系统或移动kobject，一个通知会从内核空间发送到用户空间，这就是热插拔事件。热插拔事件会导致用户空间中的处理程序（如udev，mdev）被调用，这些处理程序会通过加载驱动程序，创建设备节点等来响应热插拔事件。

struct kset_uevent_ops {
//过滤事件，决定是否产生事件，如果返回0，将不产生事件。
	int (* const filter)(struct kset *kset, struct kobject *kobj); 
//向用户空间传递一个合适的字符串
	const char *(* const name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
//通过环境变量传递任何热插拔脚本需要的信息，他会在(udev或mdev)调用之前，提供添加环境变量的机会。	
	int (* const uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, struct kobj_uevent_env *env);
};

优化代码：
功能：会屏蔽mykobject01发送的uevent事件，只响应mykobject02的事件。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/slab.h>  // For kzalloc

struct kobject *mykobject01;
struct kobject *mykobject02;
struct kset *my_kset;
struct kobj_type mytype;

int my_filter(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
   if(strcmp(kobj->name,"mykobject01")==0){  //过滤掉mykobject01的uevent事件。   
		 return 0;
   }else{
	     return 1;
    }
}

const char *my_name(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
   return "QJL_test";     //向用户空间传递一个合适的字符串
}

int my_uevent(struct kset *kset, struct kobject *kobj, struct kobj_uevent_env *env)
{
 	add_uevent_var(env,"MYDEVICE:%s","QJL");  //添加环境变量
    return 0;
}

struct kset_uevent_ops my_uevent_ops={
    .filter=my_filter,
   	.name= my_name,
   	.uevent =my_uevent,
};

static int __init mykobj_init(void)
{
    int ret;
    //1. 创建kest
    my_kset=kset_create_and_add("my_kset", &my_uevent_ops, NULL); //在sys下创建my_kset目录.
    
    //2. 创建kobject1
    mykobject01= kzalloc(sizeof(struct kobject), GFP_KERNEL); 
    mykobject01->kset=my_kset;
    ret = kobject_init_and_add(mykobject01, &mytype, NULL, "mykobject01");

	//3. 创建kobject2
    mykobject02= kzalloc(sizeof(struct kobject), GFP_KERNEL); 
    mykobject02->kset=my_kset;
    ret = kobject_init_and_add(mykobject02, &mytype, NULL, "mykobject02");
    
   // 发送uevent事件
	ret=kobject_uevent(mykobject01, KOBJ_CHANGE);
	ret=kobject_uevent(mykobject02, KOBJ_ADD);
    return 0;
}

static void __exit mykobj_exit(void)
{
    kobject_put(mykobject01);
    kobject_put(mykobject02);
    kset_unregister(my_kset);
}

module_init(mykobj_init);
module_exit(mykobj_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

三、用户空间使用Netlink接收uevent事件

   因为netlink 是基于socket通信机制，在用户空间使用socket接口，如socket、bind、sendmsg、recvmsg、close 就可以使用 netlink，上手容易。这里我就不再讲解socket的API函数，详情查看：socket使用步骤详情查看地址。

1. 创建socket

  对于netlink，使用下面固定的协议类型。其中protocol指定 netlink协议类型，目前已经支持的协议类型在 linux/netlink.h 中定义,，所以需要包含头文件#include <linux/netlink.h>。

int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
	int domain: 选择 AF_NETLINK
	int type ： 选择 SOCK_RAW
	int protocol ：在#include <linux/netlink.h>中选择。
*/

2. 绑定socket

注意：对于sockaddr_nl 结构体成员填写内容：nl_family（AF_NETLINK） 、nl_pad （0） 、nl_pid（0）、nl_groups（1）。

int bind(int sockfd, struct sockaddr* my_addr, int addrlen);
/*
sockfd :socket 描述符
addr:指向一个 struct sockaddr 类型指针。这里我们使用sockaddr_nl结构体，然后进行类型转换。
		struct sockaddr_nl {
		    __kernel_sa_family_t nl_family; // 套接字地址族。      这里使用 AF_NETLINK。
		    unsigned short       nl_pad;    // 填充，用于对齐。    这里使用 0。
		    __u32                nl_pid;    // 进程标识符 (PID)   也可以设置为0，表示不加入任何多播组。
		    __u32                nl_groups; // 多播组掩.  设置为1时，表示用户空间进程只会接收内核事件的基本组的内核事件。
		};

int addrlen ：结构体长度。
*/

3. 接收uevent事件信息

包含头文件：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>

注意 netlink中是不用调用listen 所监听的。可以直接使用recv函数进行接收。

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);   // 从套接字接收数据
// 参数：
	// sockfd - 套接字文件描述符
	// buf    - 存储接收到数据的缓冲区
	// len    - 缓冲区的长度
	// flags  - 操作标志，通常设置为0.
// 返回值：接收到的字节数，如果出错则返回 -1

★示例代码

app.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <sys/socket.h>  // 修正了包含的头文件
#include <sys/types.h>

int main() {
    int ret;
    int socketed;
    ssize_t len;
    int i;
    char buf[4096] = {0};

    // 创建 Netlink 套接字
    socketed = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_KOBJECT_UEVENT);
    if (socketed < 0) {
        perror("socket error");  // 更改为 perror 可以输出更详细的错误信息
        return -1;
    }

    // 定义并初始化 sockaddr_nl 结构体
    struct sockaddr_nl my_sockaddr_nl = {
        .nl_family = AF_NETLINK,
        .nl_pad = 0,
        .nl_pid = 0,  // 绑定到内核
        .nl_groups = 1  // 监听内核组播消息
    };

    // 绑定 Netlink 套接字
    ret = bind(socketed, (struct sockaddr*)&my_sockaddr_nl, sizeof(struct sockaddr_nl));
    if (ret < 0) {
        perror("bind error");  // 错误处理
        close(socketed);
        return -1;
    }

    // 循环接收并打印消息
    while (1) {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));  // 清空缓冲区
        len = recv(socketed, buf, sizeof(buf), 0);
        for(i=0;i<len; i++){
           if(buf[i]=='\0') buf[i]='\n';
        }
        // 打印接收到的消息
        printf("%s\n", buf);  // 使用 %.*s 打印指定长度的字符串
    }

    close(socketed);  // 关闭套接字
    return 0;
}

  实验现象：我们使用完善kset_uevent_ops的代码作为内核代码，通过本示例来获取内核中uevent事件信息，结果如下所示。

实践一：使用udev自动挂载U盘

1. 配置系统支持udev–配置 Buildroot文件系统

  要配置 Buildroot 以支持 udev，进入Buildroot 目录下，通过 menuconfig 图形化配置界面设置 ：System configuration —dev management 为 Dynamic using devtmpfs + eudev。即使用udev去管理。配置完成后，编译镜像文件烧录到开发版。

2. 创建配置规则

（1）检查 /etc/udev/rules.d/ 目录是否存在。如果不存在，则使用 mkdir 命令创建该目录。并在该目录下创建 usb 目录。在usb目录下编写 usb-add.sh 和 usb-remove.sh 脚本文件，并修改脚本文件的权限为 777。 （脚本名称自定义）

usb-add.sh

#!/bin/sh
/bin/mount -t vfat /dev/$1 /mnt
sync

usb-remove.sh

#!/bin/sh
sync
/bin/umount -l /mnt

（2）在/etc/udev/rules.d/ 目录下创建 01-usb.rules 文件并写入一下内容。（在该目录下所有的规则文件必须以 “.rules” 为后缀名）

KERNEL=="sd[a-z][0-9]", SUBSYSTEM=="block", ACTION=="add", RUN+="/etc/udev/rules.d/usb/usb-add.sh %k" 
SUBSYSTEM=="block", ACTION=="remove", RUN+="/etc/udev/rules.d/usb/usb-remove.sh" 
/*
KERNEL=="sd[a-z][0-9]" ： 匹配所有以 "sd" 开头，并且后面跟着一个小写字母和一个数字的设备节点
SUBSYSTEM=="block" ： 仅在 SUBSYSTEM 是 "block"（块设备）的情况下才应用规则
ACTION=="add"  ：执行的动作。
RUN+= ：
	设备匹配时，执行指定的脚本 "/etc/udev/rules.d/usb/usb-add.sh"
	"%k" 作为参数传递，代表设备名称（例如 sda1）
*/

  当新增一个 usb 设备，执行/etc/udev/rules.d/usb-add.sh脚本文件，并传入参数 sd[a-z][0-9]。当移除一个 usb 设备，执行/etc/udev/rules.d/usb-remove.sh 脚本文件。

3. 测试

   将U盘进行插入，使用df命令查看是否有U盘自动挂载。再将U盘拔出，使用命令df查看U盘是否退出。

实践二：使用udev自动挂载TF卡

1. 问题一：我们在不先编写本节代码时，给开发板插上TF卡，会发下开发板可以自动识别 TF 卡，这是为什么呢?
     答：这是因为在开发板其他目录下也有很多规则文件，例如在/lib/udev/rules.d目录下就拥有tf的规则文件，即使我们不写，系统也会去该目录下自动调用，从而完成TF卡的自动挂载。
   
2. 问题二：那么如果我们自己写规则文件的话，应该如何写呢？
     答：其实和U盘的挂载是一样的，唯一的区别就是规则文件中的命名不同，TF卡的命名规则固定为：mmcblk[0-9]p[0-9]。其他步骤完全一致！
   ●步骤如下：
     ①我们可以在/etc/udev/rules.d/ 目录下创建 tf 目录，然后在该目录中添加两个脚本文件。文件命名自定义，最好可以是可以一眼就知道是什么作用的命名方式，脚本内容和U盘的脚本内容完全一致。这里我们使用tf-add.sh和tf-remove.sh作为命名来演示。
      ②在/etc/udev/rules.d/ 目录下创建02-tf.rules规则文件。内容如下：

KERNEL=="mmcblk[0-9]p[0-9]", SUBSYSTEM=="block", ACTION=="add", RUN+="/etc/udev/rules.d/tf/tf-add.sh %k" 
SUBSYSTEM=="block", ACTION=="remove", RUN+="/etc/udev/rules.d/tf/tf-remove.sh" 

3. 问题三：既然其他目录文件中有sd/tf卡的规则文件，然后我们自己又写了一个tf卡的规则文件，那么系统到底是执行哪个规则文件呢？
     答：/lib/udev/rules.d目录下的规则文件的优先级要低于/etc/udev/rules.d目录下的规则文件。如果两个目录中的规则文件针对相同的设备做出不同的操作，那么 /etc/udev/rules.d/中的规则会优先应用。
     注意：在同一个目录中，文件名的数字前缀会决定规则的应用顺序。数字越小，优先级越高。例如，10-custom.rules 会在 20-default.rules 之前应用。

实践三：使用mdev自动挂载U盘

在嵌入式设备中，我们常用mdev。

1. 配置系统支持mdev

方法一：
  要配置 Buildroot 以支持 mdev，进入Buildroot 目录下，通过 menuconfig 图形化配置界面设置 ：System configuration —dev management 为 Dynamic using devtmpfs + mdev。即使用mdev去管理。配置完成后，编译镜像文件烧录到开发版。

方法二：
  使用命令：echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug将 /sbin/mdev 设置为内核的热插拔（hotplug）管理程序。当内核检测到一个设备的插入或移除时，会调用这个程序来处理相关的设备事件。只不过每次开机都需要重新配置，或者将该命令写入开机脚本。

2. 配置mdev规则

在 /etc/mdev.conf 文件末尾中添加 U 盘热插拔的事件响应规则，具体配置如下：

# U盘插入事件处理
sd[a-z][0-9] 0:0 666 @/etc/mdev/usb_insert.sh
	# 0:0 666: 设置设备的所有者为 root:root (0:0)，并将设备权限设置为 666 (所有用户读写权限)。
	
# U盘移除事件处理
sd[a-z] 0:0 666 $/etc/mdev/usb_remove.sh

  在 mdev中，规则文件中的每一行都是由4个字段组成的，分别是:<设备节点正则表达式> <设备的主设备号:次设备号> <设备的权限> <设备插入或移除时需要执行的命令> 。
  其中，第四个字段表示设备插入或移除时需要执行的命令，这个字段可以使用@符号或$符号开头来表示不同的含义。
当命令字段以@符号开头时，表示该命令是一个shell命令，需要在shell 中执行。当命令字段以$符号开头时，表示该命令是一个系统命令或可执行文件，可以直接在系统中执行。

3. 创建脚本文件

  在/etc/mdev目录下创建usb_insert.sh和usb_remove.sh脚本文件。脚本内容如下，并将脚本文件的权限改为0777。

usb_insert.sh

#!/bin/sh

if [ -d /sys/block/$MDEV ]; then     #$MDEV 是 udev/mdev 自动设置的环境变量，通常表示设备名
    mount /dev/$MDEV /mnt    #当设备被检测到（通过 /sys/block/$MDEV 判断），它会自动将该设备挂载到 /mnt 目录，并同步数据到磁盘。
    sync
fi

usb_remove.sh

#!/bin/sh
sync
umount -l /mnt

4. 测试

  将U盘进行插入，使用df命令查看是否有U盘自动挂载。再将U盘拔出，使用命令df查看U盘是否退出。

实践四：使用mdev自动挂载TF卡

  这里的使用步骤和实践三完全一致，脚本内容也完全一致。唯一的不同就是命令规则不同，TF卡的命名规则为mmcblk[0-9]p[0-9]。

唯一不同：在 /etc/mdev.conf 文件末尾中添加TF卡热插拔的事件响应规则，具体配置如下：

# U盘插入事件处理
mmcblk[0-9]p[0-9] 0:0 666 @/etc/mdev/tf_insert.sh
	# 0:0 666: 设置设备的所有者为 root:root (0:0)，并将设备权限设置为 666 (所有用户读写权限)。
	
# U盘移除事件处理
mmcblk[0-9] 0:0 666 $/etc/mdev/tf_remove.sh

实践五：使用usbmount提高工作效率

  usbmount 是一个用于自动挂载 USB 存储设备的小工具，在检测到 USB 设备插入时，usbmount 会自动将其挂载到一个预定义的目录中，例如 /media/usb0、/media/usb1 等。它通常在没有完整的桌面环境（如 GNOME 或 KDE）的嵌入式系统或轻量级系统上使用。
  在 Debian 或 Ubuntu 系统上，你可以使用以下命令安装 usbmount：sudo apt-get install usbmount，插入 USB 设备后，系统会自动将其挂载到 /media/usbX 中（X 为数字）。

★补充问题：无法识别U盘

  如果识别不到U盘，则需要看U盘格式是否为FAT32格式，若不是，则格式化为FAT32的文件格式。且配置完文件刷新文件或重新开机使其生效。