如何在 Linux 内核驱动程序中处理设备删除？

Question

你已经做了一千次了：你拔掉了一些 USB 设备，与该 USB 设备关联的任何设备都被驱动程序删除了。任何使用以前打开的文件句柄的程序都会出错。不知何故，大多数 Linux 驱动程序都会处理这个问题。

我目前正在努力在一个简单的驱动程序中实现相同的功能。我的驱动程序创建了一个字符设备。打开设备时，我将struct file的private_data成员设置为每个字符设备存在一次的一些管理数据的地址。该管理数据还包括一个互斥体，我用它来同步read、write 和ioctl 等操作。

现在拔下 USB 设备时会出现问题。我不能释放管理数据所在的内存。首先，任何当前运行的read、write 或ioctl 都应该完成。任何此类正在运行的调用也可能会持有互斥锁并尝试解锁它。所以会访问互斥体所在的内存。

拔出设备后的任何read、write 或ioctl 调用都应该失败，因此每次这样的调用都必须读取一些变量来告知USB 设备是否仍然插入。同样，该变量必须存在于某个地方，并且只要存在打开的文件句柄，它所在的内存就必须保持分配状态。

长话短说，在我看来，我必须进行某种引用计数：管理数据必须保持分配状态，直到所有文件句柄都已关闭。我可以自己实现，但我觉得我会重新发明轮子。这种东西肯定已经存在了，我不是第一个遇到这个问题的。

Linux 是否在内部跟踪打开文件句柄的数量？我可以定义一个在所有文件句柄都关闭时调用的回调吗？这甚至是可行的吗？从系统中删除字符设备的正确方法是什么？

不应避免使用全局变量，因为可以连接任意数量的 USB 设备。

Answer 1

正如 0andriy 所建议的，我使用引用计数来跟踪打开文件句柄的数量。对于每个字符设备，我添加了一个新结构，其中包含 mutex、kref、cdev 结构和指向更多数据的指针。我使用kref_get 在打开新文件句柄时增加引用计数器。因此，我在释放文件句柄或拔下 USB 设备时使用kref_put。

由于所有的 I/O 操作（read、write、ioctl 等）都使用互斥锁，因此在拔下 USB 设备时，我可以安全地将指针更改为NULL。然后 I/O 操作开始报告错误。

kref 引用计数器仅在拔下 USB 设备并且所有文件句柄都关闭时返回为零。那么我也可以释放新结构的内存。

这似乎有效。令人惊讶的是，cdev 结构被文件句柄引用。只要有打开的文件句柄，似乎就需要它。

但我仍然很惊讶我不得不走这条路。在每个驱动程序中实现它似乎是多余的。

更新：事实证明，自己进行引用计数是危险的。特别是计算打开文件句柄的数量是错误的。 Linux 中有一个完整的基于引用计数的垃圾回收系统，您需要使用它。

例如，Linux 在进程打开字符设备时调用cdev_get，在进程存在且文件句柄仍处于打开状态时调用cdev_put。不幸的是，对cdev_put 的调用将在文件句柄的释放函数之后发生。因为我们会在最后一个文件句柄被释放后释放内存，所以我们最终会在调用cdev_put 之前释放cdev 和mutex 的底层内存。

解决方案是通过cdev_set_parent 将父级分配给cdev。每当调用cdev_get 时，父kobject 的引用计数器都会增加，而在调用cdev_put 后会减少。然后，kobject 可以拥有自己的释放函数，释放 cdev 所需的任何内存。基本上我用 kobject 替换了结构中的 kref。

经验教训：不要自己进行引用计数。使用现有的kobjects 层次结构，这是内核进行垃圾收集的方式。

UPDATE2：事实证明，我们又重新发明了轮子。 device 结构包含一个释放钩子，当内部 kobject 的引用计数达到零时调用该钩子。这是内核中通常用于释放与设备相关的资源的机制 - 包括设备结构本身。

我在cdev 结构中寻找释放钩子。没有。但事实证明，我应该在层次结构中向上一层寻找这样的钩子。

长话短说：将cdev_device_add 与device 释放挂钩结合使用。 cdev_device_add 将在内部调用cdev_set_parent，因此device 成为cdev 的父代。这些是其他内核驱动程序（例如 evdev）用来释放其资源的机制。