在Linux驱动中使用notifier通知链

背景

在驱动分析中经常看到fb_notifier_callback，现在趁有空学习一下。

内核中通知链的基础文件就两个：

• 头文件：include/linux/notifier.h
• 源文件：kernel/notifier.c

头文件和源文件所有代码加起来不超过1000行，总体来说还是比较好懂。

参考：

• https://blog.csdn.net/Wuhzossibility/article/details/8079025
• https://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2011/11/11/2396781.html

介绍

大多数内核子系统都是相互独立的，因此某个子系统可能对其它子系统产生的事件感兴趣。

为了满足这个需求，也即是让某个子系统在发生某个事件时通知其它的子系统，Linux内核提供了通知链的机制。通知链表只能够在内核的子系统之间使用，而不能够在内核与用户空间之间进行事件的通知。

通知链表是一个函数链表，链表上的每一个节点都注册了一个函数。当某个事情发生时，链表上所有节点对应的函数就会被执行。

所以对于通知链表来说有一个通知方与一个接收方。在通知这个事件时所运行的函数由被通知方决定，实际上也即是被通知方注册了某个函数，在发生某个事件时这些函数就得到执行。

图例

对系统A来说，它自己的通知队列上被被人注册了n个回调函数，那么当系统A的某个事件发生时，它必须去遍历自己的事件队列headA，然后依次去尝试执行队列里每个回调函数。

实际上，通知链上的注册的函数不一定都会执行。

对子系统B来说，情况是一样的。

原型定义

核心数据结构

#include <linux/notifier.h>

typedef int (*notifier_fn_t)(struct notifier_block *nb,
            unsigned long action, void *data);

struct notifier_block {
    int (*notifier_call)(struct notifier_block *, unsigned long, void *);
    struct notifier_block *next;
    int priority;
};

解析：

• notifier_call：当相应事件发生时应该调用的函数，由被通知方提供；
• notifier_block *next：用于链接成链表的指针；
• priority：回调函数的优先级，一般默认为0。

拓展

内核代码中一般把通知链命名为xxx_chain, xxx_nofitier_chain这种形式。

围绕核心数据结构notifier_block，内核定义了四种通知链类型。

原子通知链

struct atomic_notifier_head {
    spinlock_t  lock;
    struct  notifier_block *head;
};

通知链元素的回调函数（当事件发生时要执行的函数）在中断或原子操作上下文中运行，不允许阻塞。

可阻塞通知链

struct  blocking_notifier_head {
    struct  rw_semaphore  rwsem;
    struct  notifier_block   *head;
};

通知链元素的回调函数在进程上下文中运行，允许阻塞。

SRCU 通知链

struct  srcu_notifier_head {
    struct  mutex mutex;
    struct  srcu_struct  srcu;
    struct  notifier_block  *head;
};a

可阻塞通知链的一种变体。

原始通知链

struct  raw_notifier_head {
    struct  notifier_block   *head;
};

对通知链元素的回调函数没有任何限制，所有锁和保护机制都由调用者维护。

网络子系统使用的通知链就是此类型。

API

实际上，除了基本通知链以外，还有其他有3种通知链：原子通知链、可阻塞通知链和原始通知链。

显然，实际上这3种也只是对基本通知链的操作函数进行了封装的。

声明与初始化

在定义自己的通知链的时候，心里必须明确，自己需要一个什么样类型的通知链，是原子的、可阻塞的还是一个原始通知链。

内核中用于定义并初始化不同类通知链的函数分别是：

// 定义并初始化一个名为name的原子通知链
#define ATOMIC_NOTIFIER_HEAD(name)              \
    struct atomic_notifier_head name =          \
        ATOMIC_NOTIFIER_INIT(name)

// 定义并初始化一个名为name的阻塞通知链
#define BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(name)                \
    struct blocking_notifier_head name =            \
        BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name)

//定义并初始化一个名为name的原始通知链
#define RAW_NOTIFIER_HEAD(name)                 \
    struct raw_notifier_head name =             \
        RAW_NOTIFIER_INIT(name)

如果我们已经有一个通知链的对象（不通过上述的宏定义来声音通知链），Linux还提供了一组用于初始化一个通知链对象的API

// 分别用于初始化 对应类型的 通知链
ATOMIC_INIT_NOTIFIER_HEAD(name)
BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(name)
RAW_INIT_NOTIFIER_HEAD(name)
/* srcu_notifier_heads must be initialized and cleaned up dynamically */
extern void srcu_init_notifier_head(struct srcu_notifier_head *nh);

下面的声明以及初始化更加常见（以原子通知链为例）：

static struct atomic_notifier_head dock_notifier_list;
ATOMIC_INIT_NOTIFIER_HEAD(&dock_notifier_list);

或者

struct aw9523_kpad_platform_data {
    // ...
#if defined(CONFIG_FB)
    struct notifier_block fb_notif;
#endif
};

// ...
pdata->fb_notif.notifier_call = fb_notifier_callback;

操作

我们以最普通的通知链来介绍，其他都是类似的。

static int notifier_chain_register(struct notifier_block **nl,  struct notifier_block *n); 
static int notifier_chain_unregister(struct notifier_block **nl, struct notifier_block *n); 
static int __kprobes notifier_call_chain(struct notifier_block **nl, unsigned long val, void *v, int nr_to_call, int *nr_calls); 

这最基本的三个接口分别实现了对通知链上通知块的注册、卸载和遍历操作。

注册

static int notifier_chain_register(struct notifier_block **nl,  struct notifier_block *n);

描述：被通知一方（other_subsys_x）通过notifier_chain_register向特定的chain注册回调函数

参数解析：

卸载

static int notifier_chain_unregister(struct notifier_block **nl, struct notifier_block *n); 

描述：被通知一方（other_subsys_x）通过notifier_chain_unregister取消chain通知

通知事件发生

static int __kprobes notifier_call_chain(struct notifier_block **nl, unsigned long val, void *v, int nr_to_call, int *nr_calls);

描述： 通知者通过notifier_call_chain来通知其他的子系统（other_subsys_x）。

notifier_call_chain会按照通知链上各成员的优先级顺序执行回调函数（notifier_call_x）；回调函数的执行现场在notifier_call_chain进程地址空间。

参数解析：

返回值：NOTIFY_XXX的形式：

// include/linux/notifier.h

/* 对事件视而不见 */
#define NOTIFY_DONE       0x0000

/* 事件正确处理 */
#define NOTIFY_OK         0x0001

/*由notifier_call_chain检查，看继续调用回调函数，还是停止，_BAD和_STOP中包含该标志 */
#define NOTIFY_STOP_MASK  0x8000

/*事件处理出错，不再继续调用回调函数 */
#define NOTIFY_BAD        (NOTIFY_STOP_MASK|0x0002)

/*  回调出错，不再继续调用该事件回调函数 */
#define NOTIFY_STOP      (NOTIFY_OK|NOTIFY_STOP_MASK)    

其他通知链对应的操作

其他类型的通知链的操作也是类似的：

// 原子通知链
int atomic_notifier_chain_register(struct atomic_notifier_head *nh,  struct notifier_block *nb);
int atomic_notifier_chain_unregister(struct atomic_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);
int atomic_notifier_call_chain(struct atomic_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v);


// 可阻塞通知链、SRCU通知链
int blocking_notifier_chain_register(struct blocking_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);
int blocking_notifier_chain_cond_register(struct blocking_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);
int srcu_notifier_chain_register(struct srcu_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);

int blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v);
int srcu_notifier_call_chain(struct srcu_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v);

int blocking_notifier_chain_unregister(struct blocking_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);
int srcu_notifier_chain_unregister(struct srcu_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);


//原始通知链 
int raw_notifier_chain_register(struct raw_notifier_head *nh, struct notifier_block *nb);
int raw_notifier_chain_unregister(struct raw_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb);
int raw_notifier_call_chain(struct raw_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v);

上述这三类通知链的基本API又构成了内核中其他子系统定义、操作自己通知链的基础。

例如，Netlink定义了一个原子通知链，所以，它对原子通知链的基本API又封装了一层。

可阻塞通知链里的SRCU通知链，由于使用条件较苛刻，限制条件较多，所以使用的机会不是很多，在2.6.32的内核里只有cpufreq.c在用这种类型的通知链。

使用步骤

步骤很简单：

1、申明struct notifier_block结构

2、编写notifier_call函数

3、调用特定的事件通知链的注册函数，将notifier_block注册到通知链中

如果内核组件需要处理够某个事件通知链上发出的事件通知，其就该在初始化时在该通知链上注册回调函数。

例子

notifier_chain机制只能在内核个子系统间使用，因此，这里使用3个模块：test_notifier_chain_0、test_notifier_chain_1、test_notifier_chain_2；

当 test_notifier_chain_2通过module_init初始化模块时发出事件TESTCHAIN_2_INIT；

然后 test_notifier_chain_1作出相应的处理：打印 test_notifier_chain_2正在初始化。

test_chain_0.c

通知、被通知者的功能实现。

申明一个通知链；

1、 向内核注册通知链；

2、 定义事件；

3、 导出符号，（因而必须最先安装、最后退出）

#include <linux/notifier.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>	/* printk() */
#include <linux/fs.h>	/* everything() */
 
#define TESTCHAIN_INIT 0x52U
static RAW_NOTIFIER_HEAD(test_chain);
 
/* define our own notifier_call_chain */
static int call_test_notifiers(unsigned long val, void *v)
{
	return raw_notifier_call_chain(&test_chain, val, v);
}
EXPORT_SYMBOL(call_test_notifiers);
 
/* define our own notifier_chain_register func */
 static int register_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{
	int err;
	err = raw_notifier_chain_register(&test_chain, nb);
 
	if(err)
		goto out;
 
out:
	return err;
}
 
EXPORT_SYMBOL(register_test_notifier);
 
static int __init test_chain_0_init(void)
{
	printk(KERN_DEBUG "I'm in test_chain_0\n");
 
	return 0;
}
 
static void __exit test_chain_0_exit(void)
{
	printk(KERN_DEBUG "Goodbye to test_chain_0\n");
}
 
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("fishOnFly");
 
module_init(test_chain_0_init);
module_exit(test_chain_0_exit);

test_chain_1.c

被通知者。

1、定义回调函数；

2、 定义notifier_block；

3、 向chain_0注册notifier_block；

#include <linux/notifier.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
 
#include <linux/kernel.h>	/* printk() */
#include <linux/fs.h>	/* everything() */
 
extern int register_test_notifier(struct notifier_block *nb);
#define TESTCHAIN_INIT 0x52U
 
/* realize the notifier_call func */
int test_init_event(struct notifier_block *nb, unsigned long event,
	void *v)
{
	switch(event){
	case TESTCHAIN_INIT:
		printk(KERN_DEBUG "I got the chain event: test_chain_2 is on the way of init\n");
		break;
 
	default:
		break;
	}
 
	return NOTIFY_DONE;
}
/* define a notifier_block */
static struct notifier_block test_init_notifier = {
	.notifier_call = test_init_event,
};
static int __init test_chain_1_init(void)
{
	printk(KERN_DEBUG "I'm in test_chain_1\n");
	register_test_notifier(&test_init_notifier);	// 由chain_0提供的设施
	return 0;
}
 
static void __exit test_chain_1_exit(void)
{
	printk(KERN_DEBUG "Goodbye to test_clain_l\n");
}
 
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("fishOnFly");
 
module_init(test_chain_1_init);
module_exit(test_chain_1_exit);

test_chain_2.c

通知者。

发出通知链事件

#include <linux/notifier.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>	/* printk() */
#include <linux/fs.h>	/* everything() */

extern int call_test_notifiers(unsigned long val, void *v);
#define TESTCHAIN_INIT 0x52U

static int __init test_chain_2_init(void)
{
    printk(KERN_DEBUG "I'm in test_chain_2\n");
    call_test_notifiers(TESTCHAIN_INIT, "no_use");

    return 0;
}

static void __exit test_chain_2_exit(void)
{
    printk(KERN_DEBUG "Goodbye to test_chain_2\n");
}

MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("fishOnFly");

module_init(test_chain_2_init);
module_exit(test_chain_2_exit);

Makefile

# Comment/uncomment the following line to disable/enable debugging
# DEBUG = y
 
 
# Add your debugging flag (or not) to CFLAGS
ifeq ($(DEBUG),y)
  DEBFLAGS = -O -g -DSCULL_DEBUG # "-O" is needed to expand inlines
else
  DEBFLAGS = -O2
endif
 
 
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
# call from kernel build system
 
obj-m	:= test_chain_0.o test_chain_1.o test_chain_2.o
 
else
 
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD       := $(shell pwd)
 
modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
 
endif
 
 
 
clean:
	rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions
 
depend .depend dep:
	$(CC) $(CFLAGS) -M *.c > .depend
 
 
ifeq (.depend,$(wildcard .depend))
include .depend
endif

测试

$ sudo dmesg -c > /dev/null
$ sudo insmod. /test_chain_0.ko
$ sudo insmod. /test_chain_1.ko
$ sudo insmod. /test_chain_2.ko

$ dmesg 
[3215807.747547] I'm in test_chain_0
[3215809.759092] I'm in test_chain_1
[3215811.225148] I'm in test_chain_2
[3215811.225150] I got the chain event: test_chain_2 is on the way of init

$ sudo rmmod. /test_chain_2.ko
$ sudo rmmod. /test_chain_1.ko
$ sudo rmmod. /test_chain_0.ko

$ dmesg
[3215850.606570] Goodbye to test_chain_2
[3215853.346589] Goodbye to test_clain_l
[3215855.510567] Goodbye to test_chain_0