sysfs是一個基於記憶體的檔案系統，它的作用是將核心資訊以檔案的方式提供給使用者程式使用。該檔案系統的目錄層次結構嚴格按照核心的資料結構組織。除了二進位制檔案外（只有特殊場合才使用），sysfs檔案內容均以ASCII格式儲存，且一個檔案只儲存一個數據，另外，一個檔案不可大於一個記憶體頁（通常為4096位元組）。

sysfs提供一種機制，使得可以顯式的描述核心物件、物件屬性及物件間關係。sysfs有兩組介面，一組針對核心，用於將裝置對映到檔案系統中，另一組針對使用者程式，用於讀取或操作這些裝置。表2描述了核心中的sysfs要素及其在使用者空間的表現：

表2：sysfs內部結構與外部表現

在Ubuntu或Fedora等Linux系統中，我們可以用ls –F <路徑>命令來通過檔案字尾檢視檔案型別。“/”表示資料夾，“@”表示連結，沒有後綴就是檔案了。

sysfs目錄結構

表3：sysfs目錄結構

sysfs_dirent是組成sysfs單元的基本資料結構，它是sysfs資料夾或檔案在記憶體中的代表。sysfs_dirent只表示檔案型別（資料夾/普通檔案/二進位制檔案/連結檔案）及層級關係，其它資訊都儲存在對應的inode中。我們建立或刪除一個sysfs檔案或資料夾事實上只是對以sysfs_dirent為節點的樹的節點的新增或刪除。sysfs_dirent資料結構如下：

struct sysfs_dirent {

       atomic_t                s_count;

       atomic_t                s_active;

       struct sysfs_dirent  *s_parent;  /* 指向父節點 */

struct sysfs_dirent  *s_sibling;  /* 指向兄弟節點，兄弟節點是按照inode索引s_ino的大小順序連結在一起的。*/

       const char             *s_name;    /* 節點名稱 */

       union {

              struct sysfs_elem_dir            s_dir;      /* 資料夾，s_dir->kobj指向sysfs物件 */

              struct sysfs_elem_symlink    s_symlink;  /* 連結 */

              struct sysfs_elem_attr           s_attr;     /* 普通檔案 */

              struct sysfs_elem_bin_attr     s_bin_attr;  /* 二進位制檔案 */

       };

       unsigned int           s_flags;

ino_t          s_ino;     /* inode索引，建立節點時被動態申請，通過此值和sysfs_dirent地址可以到inode散列表中獲取inode結構 */

       umode_t                s_mode;

       struct iattr             *s_iattr;

};

inode(index node)中儲存了裝置的主從裝置號、一組檔案操作函式和一組inode操作函式。檔案操作比較常見：open、read、write等。inode操作在sysfs檔案系統中只針對資料夾實現了兩個函式一個是目錄下查詢inode函式(.lookup=sysfs_lookup)，該函式在找不到inode時會建立一個，並用sysfs_init_inode為其賦值；另一個是設定inode屬性函式(.setattr=sysfs_setattr)，該函式用於修改使用者的許可權等。inode結構如下：

struct inode {

       struct hlist_node     i_hash;    /* 散列表鏈節 */

       struct list_head       i_list;

       struct list_head       i_sb_list;

       struct list_head       i_dentry;  /* dentry鏈節 */

       unsigned long         i_ino;   /* inode索引 */

       atomic_t             i_count;

       unsigned int           i_nlink;

       uid_t                     i_uid;

       gid_t                     i_gid;

       dev_t                    i_rdev; /* 主從裝置號 */

const struct inode_operations *i_op; /* 一組inode操作函式，可用其中lookup查詢目錄下的inode，對應sysfs為sysfs_lookup函式 */

const struct file_operations  *i_fop;    /* 一組檔案操作函式，對於sysfs為sysfs的open/read/write等函式 */

       struct super_block  *i_sb;

       struct list_head       i_devices;

       union {

              struct pipe_inode_info    *i_pipe;

              struct block_device       *i_bdev;

              struct cdev            *i_cdev;

       };

};

dentry(directory entry)的中文名稱是目錄項，是Linux檔案系統中某個索引節點(inode)的連結。這個索引節點可以是檔案，也可以是目錄。引入dentry的目的是加快檔案的訪問。dentry資料結構如下：

struct dentry {

       atomic_t d_count;         /* 目錄項物件使用的計數器 */

       unsigned int d_flags;             /* 目錄項標誌 */

       spinlock_t d_lock;              /* 目錄項自旋鎖 */

       int d_mounted;                     /* 對於安裝點而言，表示被安裝檔案系統根項 */

       struct inode *d_inode;           /* 檔案索引節點(inode) */

       /*

        * The next three fields are touched by __d_lookup.  Place them here

        * so they all fit in a cache line.

        */

       struct hlist_node d_hash;       /* lookup hash list */

       struct dentry *d_parent; /* parent directory */

       struct qstr d_name;              /* 檔名 */

       /*

        * d_child and d_rcu can share memory

        */

       union {

              struct list_head d_child; /* child of parent list */

             struct rcu_head d_rcu;

       } d_u;

       void *d_fsdata;                    /* 與檔案系統相關的資料，在sysfs中指向sysfs_dirent */

       unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];      /* 存放短檔名 */

};

sysfs_dirent、inode、dentry三者關係：

圖3-1：sysfs在記憶體中的形態

如上圖sysfs超級塊sysfs_sb、dentry根目錄root、sysfs_direct根目錄sysfs_root都是在sysfs初始化時建立。

sysfs_root下的子節點是新增裝置物件或物件屬性時呼叫sysfs_create_dir/ sysfs_create_file建立的，同時會申請對應的inode的索引號s_ino。注意此時並未建立inode。

inode是在用到的時候呼叫sysfs_get_inode函式建立並依據sysfs_sb地址和申請到的s_ino索引計算散列表位置放入其中。

dentry的子節點也是需要用的時候才會建立。比如open檔案時，會呼叫path_walk根據路徑一層層的查詢指定dentry，如果找不到，則建立一個，並呼叫父dentry的inode的lookup函式（sysfs檔案系統的為sysfs_lookup）查詢對應的子inode填充指定的dentry。

這裡有必要介紹一下sysfs_lookup的實現，以保證我們更加清晰地瞭解這個過程，函式主體如下：

static struct dentry * sysfs_lookup(struct inode *dir, struct dentry *dentry, struct nameidata *nd)

{

       struct dentry *ret = NULL;

       struct sysfs_dirent *parent_sd = dentry->d_parent->d_fsdata; //獲取父sysfs_direct

       struct sysfs_dirent *sd;

       struct inode *inode;

       mutex_lock(&sysfs_mutex);

       /* 在父sysfs_direct查詢名為dentry->d_name.name的節點 */

       sd = sysfs_find_dirent(parent_sd, dentry->d_name.name);

       /* no such entry */

       if (!sd) {

              ret = ERR_PTR(-ENOENT);

              goto out_unlock;

       }

       /* 這兒就是通過sysfs_direct獲取對應的inode，sysfs_get_inode實現原理上面已經介紹過了 */

       /* attach dentry and inode */

       inode = sysfs_get_inode(sd);

       if (!inode) {

              ret = ERR_PTR(-ENOMEM);

              goto out_unlock;

       }

       /* 填充目錄項，至此一個目錄項建立完畢 */

       /* instantiate and hash dentry */

dentry->d_op = &sysfs_dentry_ops;   /* 填充目錄項的操作方法，該方法只提供一釋放inode函式sysfs_d_iput */

       dentry->d_fsdata = sysfs_get(sd);        //填充sysfs_direct

       d_instantiate(dentry, inode);                 //填充inode

       d_rehash(dentry);                               //將dentry加入hash表

 out_unlock:

       mutex_unlock(&sysfs_mutex);

       return ret;

}

sysfs檔案open流程

open的主要過程是通過指定的路徑找到對應的dentry，並從中獲取inode，然後獲取一個空的file結構，將inode中相關內容賦值給file，這其中包括將inode的fop賦給file的fop。因此接下來呼叫的filp->fop->open其實就是inode裡的fop->open。新的file結構對應一個檔案控制代碼fd，這會作為整個open函式的返回值。之後的read/write操作就靠這個fd找到對應的file結構了。

圖3-2是從網上找到的，清晰地描述了file和dentry以及inode之間的關係：

圖3-2：file、dentry、inode關係

程序每開啟一個檔案，就會有一個file結構與之對應。同一個程序可以多次開啟同一個檔案而得到多個不同的file結構，file結構描述了被開啟檔案的屬性，讀寫的偏移指標等等當前資訊。

兩個不同的file結構可以對應同一個dentry結構。程序多次開啟同一個檔案時，對應的只有一個dentry結構。dentry結構儲存目錄項和對應檔案（inode）的資訊。

在儲存介質中，每個檔案對應唯一的inode結點，但是，每個檔案又可以有多個檔名。即可以通過不同的檔名訪問同一個檔案。這裡多個檔名對應一個檔案的關係在資料結構中表示就是dentry和inode的關係。

inode中不儲存檔案的名字，它只儲存節點號；而dentry則儲存有名字和與其對應的節點號，所以就可以通過不同的dentry訪問同一個inode。

sysfs檔案read/write流程

sysfs與普通檔案系統的最大差異是，sysfs不會申請任何記憶體空間來儲存檔案的內容。事實上再不對檔案操作時，檔案是不存在的。只有使用者讀或寫檔案時，sysfs才會申請一頁記憶體（只有一頁），用於儲存將要讀取的檔案資訊。如果作讀操作，sysfs就會呼叫檔案的父物件（資料夾kobject）的屬性處理函式kobject->ktype->sysfs_ops->show，然後通過show函式來呼叫包含該物件的外層裝置（或驅動、匯流排等）的屬性的show函式來獲取硬體裝置的對應屬性值，然後將該值拷貝到使用者空間的buff，這樣就完成了讀操作。寫操作也類似，都要進行核心空間ßà使用者空間記憶體的拷貝，以保護核心程式碼的安全執行。

圖3-1為使用者空間程式讀sysfs檔案的處理流程，其他操作類似：

圖3-3：使用者空間程式讀sysfs檔案的處理流程