从入门到精通：Linux sysfs 全解析，这一篇就够了

大家好，这里是物联网心球。 本期文章我们来学习 sys 文件系统，sys 文件系统和 proc 文件系统都是内核伪文件系统（ proc 文件系统文章链接：一文吃透 Linux proc 文件系统），二者都是用来暴露内核数据，为什么已经有了 proc 文件系统还要引入 sys 文件系统呢？带着这个问题，进入今天的主题。

1.sys 文件系统

sys 文件系统的内核定义为：

 static struct file_system_type sysfs_fs_type = {
    .name = "sysfs",
    .init_fs_context = sysfs_init_fs_context,
    .kill_sb = sysfs_kill_sb,
    .fs_flags = FS_USERNS_MOUNT,
};

它是基于 ramfs 的内存型伪文件系统，不占用磁盘空间，随内核运行动态生成 / 销毁。sysfs 是 Linux 2.6 内核引入的伪文件系统，通常挂载在 /sys 目录，sysfs 主要用于将内核设备模型以层次化目录结构的形式导出到用户空间。sys 和 proc 文件系统的区别概括为一句话：proc 文件系统用于暴露进程与内核运行信息，数据结构松散杂乱；sys文件系统基于 kobject 设备模型统一管理硬件与驱动，层次规范清晰。

sys 文件系统目录结构如下：

相关目录及功能：

• /sys/block：块设备（磁盘、分区等）的视图目录，提供块设备相关信息与配置。
• /sys/bus：按总线类型（PCI、USB、I2C 等）组织设备和驱动。
• /sys/class：按设备功能分类。
• /sys/dev：按设备号索引字符设备和块设备，快速定位设备。
• /sys/devices：系统所有设备的真实物理拓扑目录，是 sysfs 最核心的设备树。
• /sys/firmware：系统固件相关信息。
• /sys/fs：文件系统运行时信息、配置等。
• /sys/kernel：内核全局配置、调试接口、内核子系统相关信息。
• /sys/module：已加载内核模块的信息。
• /sys/power：系统级电源管理目录。

2.从内核看 sys 文件系统

sys 文件系统同样维护了一棵内部文件树，这点和 proc 文件系统类似。理解 sys 文件系统的关键也在于 sys 内部文件树，具体情况如图1所示。

图1 sys 文件系统内核实现原理

内核初始化时会调用 start_kernel 函数，该函数会调用 sys_init 函数来初始化 sys 内部文件树。sys 内部文件树的节点类型（文件或目录）为 struct kernfs_node 结构，其定义如下：

struct kernfs_node {
    atomic_t        count; /* 节点的全局引用计数 */
    atomic_t        active; /* 节点的活跃引用计数 */
    struct kernfs_node  *parent;/* 指向父节点（当前节点所属的目录）*/
    const char      *name; /* 节点名称（文件/目录名） */
struct rb_node      rb;
/* 红黑树节点*/
    const void      *ns; /* 命名空间标签 */
    unsigned int        hash; /* 哈希值（由ns + name计算）*/
    union {
struct kernfs_elem_dir      dir;
/* 目录节点数据 */
        struct kernfs_elem_symlink  symlink;/* 符号链接节点数据 */
struct kernfs_elem_attr     attr;
/* 属性文件节点数据 */
    };
    void            *priv; /* 节点私有数据指针 */
    u64 id; /* 64位唯一ID，用于生成 inode 号 */
    unsigned short      flags; /* 节点标志 */
    umode_t         mode; /* 节点权限 */
    struct kernfs_iattrs    *iattr;/* 节点扩展属性 */
};

struct kernfs_node 是 Linux 内核中 kernfs 子系统的核心数据结构（注意：sysfs 是基于 kernfs 构建的）。它表示 kernfs 中的一个节点（目录、文件、符号链接），封装了节点的元数据（名称、权限、父子关系）、类型信息、引用计数、操作接口等所有核心属性。

当 kernfs_node 表示一个目录时，联合体中的 dir（目录成员）生效，dir 的数据类型是 struct kernfs_elem_dir，其定义如下：

struct kernfs_elem_dir {
    /* 子目录数量 */
    unsigned long subdirs;
    /* 子节点红黑树根 */
    struct rb_root children;
    /* 所属的kernfs根目录 */
    struct kernfs_root  *root;
};

children 成员是子节点红黑树根，目录下的子节点都需要通过 kernfs_node 的 rb 成员插入红黑树。

当 kernfs_node 表示一个属性文件时，联合体中的 attr（属性文件成员）生效，attr 的数据类型是 struct kernfs_elem_attr，其定义如下：

struct kernfs_elem_attr {
    /* 属性文件的读写操作函数表 */
    const struct kernfs_ops *ops;
    /* 打开状态链表 */
    struct kernfs_open_node  *open;
    /* 文件大小 */
    loff_t          size;
};

attr 中维护了一个函数表（ops），该函数表中定义了属性文件的读写方法。

kernfs_node 同样可以表示一个符号链接文件，该情况下，联合体的 symlink（符号链接文件成员）生效，symlink 的数据类型是 struct kernfs_elem_symlink ，其定义如下：

struct kernfs_elem_symlink {
    /* 指向目标kernfs_node */
    struct kernfs_node  *target_kn;
};

符号链接文件比较简单，它只有一个成员 target_kn，target_kn 指向目标目录或属性文件的 kernfs_node。

用户空间无法直接创建 sys 文件 / 目录，只能由内核创建它们，创建方法见表1。

表1 创建 sys 文件/目录函数表

sys 内部文件树初始化完毕后，start_kernel 函数会执行 initramfs init 脚本来挂载 sys 文件系统，挂载命令是：mount -t mount -t sysfs sysfs /sys 。sys 文件系统挂载完毕后，用户程序就能够通过 VFS（虚拟文件系统）来访问 sysfs 中的文件了。

VFS 文件中的 dentry 和 sys 内部文件树的 kernfs_node 是对应的关系。当用户程序需要访问 sys 文件时，内核会基于 sys 文件节点动态生成 struct inode 结构，并将访问 sys 文件的方法（函数表）也赋值给 inode，这样用户程序就能够通过 VFS 来访问 sys 文件了。

3.kobject、kset、attribute

聊到 sys 文件系统，一个绕不开的话题是：kobject、kset、attribute，要真正搞懂这三者，我们还是得从内核源码角度来分析，如图2所示。

图2 kobject、kset、attribute机制

这里，先做一个总结：

• kobject：每个 kobject 对应 sys 文件系统中的一个目录。

• kset：是一个特殊的 kobject，用于管理一组同类型的 kobject（如所有块设备的 kobject）。

• attribute：sys 文件的元数据，描述 sys 属性文件的名称、权限，是创建 sys 文件的基础。

kset 包含多个 kobject，kobject 关联多个 attribute ，共同构成 sys 文件系统树形结构。

kobject 指的是 struct kobject，它表示一个 sys 目录，其定义如下：

struct kobject {
  const char  *name; /* sysfs目录名 */
struct list_head entry;
/* kset链表节点 */
struct kobject *parent;
/* 指向父对象 */
struct kset *kset;
/* 所属kset */
const struct kobj_type *ktype;/* 对象类型 */
struct kernfs_node  *sd;
/* sysfs目录节点 */
};

注意，kobject 中包含了一个 sd 成员（struct kernfs_node 结构类型），我们可以理解为：kobject 是 kernfs_node 的子类。kobject 借助 sd 成员将自身加入 sys 内部文件树。kobject 在 kernfs_node 的基础上进行了扩展，kobject 的 ktype 成员定义了 sys 文件的读写方法，定义如下：

struct kobj_type {
  struct sysfs_ops *sysfs_ops;  /* sysfs文件读写规则 */
  ......
};

struct sysfs_ops {
    ssize_t (*show)(...); /* 读取属性值 */
    ssize_t (*store)(...); /* 写入属性值 */
};

sys 文件具体读写方法会在最后一节介绍。kobject 还有两个成员：kset 和 entry，kset 成员用于指向 kobject 所属的 kset，当 kset 成员生效后，表示 kobject 加入了某个集合。entry 成员是一个链表节点，kobject 通过entry 插入 kset 的 kobject 链表。

kset 指的是 struct kset，其定义如下：

struct kset {
  struct list_head list;  /* 链表头：管理组内所有kobject */
  struct kobject kobj;  /* 内嵌kobject，将kset加入sysfs */
  ......
};

ket 包含了一个 kobject（kobj 成员），所以 kset 是一个特殊的 kobject，除了具备 kobject 的功能之外，kset 还能够管理同一类型的 kobject。kset 维护了一个 kobject 链表（list 成员），同一类型的 kobject 通过 entry 成员插入 list 链表，如 /sys/bus 目录是一个 kset，bus目录下的子目录表示的是一种总线类型（kobject），所有的总线类型需要加入 bus（kset 集合）。

attribute 指的是 struct attribute，其定义如下：

struct attribute {
    const char  *name; /* 属性文件名 */
    umode_t  mode; /* 文件权限 */
};

当 kernfs_node 表示一个属性文件时，kernfs_node 的 priv（私有数据指针）将指向 attribute ，由于 attribute 只包含了文件的名字和权限，没有包含读写该文件的具体方法，在实际开发中，内核会对 attribute 进行扩展，常见的扩展结构有：struct device_attribute、struct kobj_attribute 等。具体情况如图3所示。

图3 attribute 扩展结构

每种扩展结构在 attribute 的基础上增加了 sys 属性文件的读写方法，sys 文件最终的读写方式由扩展 attribute 的 show 和 store 函数决定。

4.读取 /sys/xxx 文件示例

前面我们学习了很多 sys 文件系统的理论知识，本节我们通过一个具体示例来巩固我们前面学到的知识，如图4所示。

图4 读取 sys 文件示例

用户程度通过 cat /sys/xxx 命令来读取 sys 文件系统中某个文件，cat 命令首先会打开文件，这个过程如下：

• 申请一个未使用的文件描述符（fd）。

• 创建并初始化 file 对象。

• fd 和 file 进行映射，并将映射关系记录在进程已打开文件表。

file 对象的初始化过程需要借助 kernfs_node，内核通过文件路径（/sys/xxx）查找 sys 内部文件树找到目标文件对应的 kernfs_node，file 对象的 private_data 成员最终会指向 kernfs_node，这样通过 file 对象就能够访问 kernfs_node。

file 对象的 i_fop 成员将指向 sys 文件操作函数表，cat 命令读取 /sys/xxx 属性文件时，将调用该函数表中的 kernfs_fop_read_iter 函数，经过层层的函数调用，如：kernfs_fop_read_iter->sysfsl_kf_read->my_sysfs_show->my_attr_show，内核最终会调用扩展 attribute （如 kobj_attribute ）的 show 函数（具体实现为 my_attr_show 函数）。

示例中，my_attr_show 函数通过 snprintf 函数将一个内核整型变量格式化输出至内核缓冲区，再将内核缓冲区数据会拷贝至用户缓冲区，这样就完成了 /sys/xxx 文件的读取工作。