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Hotplug

the hotplug implements of OpenWRT

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OpenWRT Hotplug原理分析

本次研究基于OpenWRT 14_07 trunk。其他版本有部分差异，请阅读时注意。

<a name='TOC'>目录表</a>

  1. Hotplug原理
  2. Hotplug应用
  3. 参考

<a name='profiles'>Hotplug原理</a>

Hotplug即热插拔，在新版本OpenWRT上，hotplug，coldplug与watchdog等被集成到全新的Procd系统中。

Procd是OpenWRT下新的预初始化，初始化，热插拔和事件系统。在openwrt 中, procd 作为 init 进程会处理许多事情, 其中就包括 hotplug。procd本身并不知道如何处理hotplug事件，也没有必要知道，因为它只实现机制，而不实现策略。事件的处理是由配置文件决定的，这些配置文件即所谓的rules.。老版本下独立的hotplug2在r36987被移除了。所以下面我们要介绍的就是新版本下Hotplug的机制。

要了解Hotplug运行的整个过程，首先得了解procd系统的工作流程。才能从全局了解hotplug是如何工作的。在这里我们重点介绍与hotplug相关的procd启动过程。

Procd启动过程分析

preinit()函数

void
preinit(void)
{
	char *init[] = { "/bin/sh", "/etc/preinit", NULL };
	char *plug[] = { "/sbin/procd", "-h", "/etc/hotplug-preinit.json", NULL };

	LOG("- preinit -\n");

	plugd_proc.cb = plugd_proc_cb;
	plugd_proc.pid = fork();
	if (!plugd_proc.pid) {
		execvp(plug[0], plug);
		ERROR("Failed to start plugd\n");
		exit(-1);
	}
	if (plugd_proc.pid <= 0) {
		ERROR("Failed to start new plugd instance\n");
		return;
	}
	uloop_process_add(&plugd_proc);

	setenv("PREINIT", "1", 1);

	preinit_proc.cb = spawn_procd;
	preinit_proc.pid = fork();

	if (!preinit_proc.pid) {
		execvp(init[0], init);
		ERROR("Failed to start preinit\n");
		exit(-1);
	}
	if (preinit_proc.pid <= 0) {
		ERROR("Failed to start new preinit instance\n");
		return;
	}
	uloop_process_add(&preinit_proc);

	DEBUG(4, "Launched preinit instance, pid=%d\n", (int) preinit_proc.pid);
}

  1. 创建子进程执行/etc/preinit脚本，此时PREINIT环境变量被设置为1，主进程同时使用uloop_process_add()把/etc/preinit子进程加入uloop进行监控，当/etc/preinit执行结束时回调plugd_proc_cb()函数把监控/etc/preinit进程对应对象中pid属性设置为0，表示/etc/preinit已执行完成。

  2. 创建子进程执行/sbin/procd -h /etc/hotplug-preinit.json，主进程同时使用uloop_process_add()把/sbin/procd子进程加入uloop进行监控，当/sbin/procd进程结束时回调spawn_procd()函数。

  3. spawn_procd()函数繁衍后继真正使用的/sbin/procd进程，从/tmp/debuglevel读出debug级别并设置到环境变量DBGLVL中，把watchdog fd设置到环境变量WDTFD中，最后调用execvp()繁衍/sbin/procd进程。

procd进程

在这里我们主要分析procd的五个状态,分别为 STATE_EARLY、STATE_INIT、STATE_RUNNING、STATE_SHUTDOWN、STATE_HALT，这5个状态将按顺序变化，当前状态保存在全局变量state中，可通过procd_state_next()函数使用状态发生变化。

static void state_enter(void)
{
	char ubus_cmd[] = "/sbin/ubusd";

	switch (state) {
	case STATE_EARLY:
		LOG("- early -\n");
		watchdog_init(0);
		hotplug("/etc/hotplug.json");
		procd_coldplug();
		break;

	case STATE_INIT:
		// try to reopen incase the wdt was not available before coldplug
		watchdog_init(0);
		LOG("- ubus -\n");
		procd_connect_ubus();

		LOG("- init -\n");
		service_init();
		service_start_early("ubus", ubus_cmd);

		procd_inittab();
		procd_inittab_run("respawn");
		procd_inittab_run("askconsole");
		procd_inittab_run("askfirst");
		procd_inittab_run("sysinit");
		break;

	case STATE_RUNNING:
		LOG("- init complete -\n");
		break;

	case STATE_SHUTDOWN:
		LOG("- shutdown -\n");
		procd_inittab_run("shutdown");
		sync();
		break;

	case STATE_HALT:
		LOG("- reboot -\n");
		reboot(reboot_event);
		break;

	default:
		ERROR("Unhandled state %d\n", state);
		return;
	};
}

  • #####STATE_EARLY状态 - init前准备工作

    1. 初始化watchdog
    2. 根据"/etc/hotplug.json"规则监听hotplug
    3. procd_coldplug()函数处理，把/dev挂载到tmpfs中，fork udevtrigger进程产生冷插拔事件，以便让hotplug监听进行处理
    4. udevstrigger进程处理完成后回调procd_state_next()函数把状态从STATE_EARLY转变为STATE_INIT

  • #####STATE_INIT状态 - 初始化工作

    1. 连接ubusd，此时实际上ubusd并不存在，所以procd_connect_ubus函数使用了定时器进行重连，而uloop_run()需在初始化工作完成后才真正运行。当成功连接上ubusd后，将注册service main_object对象，system_object对象、watch_event对象(procd_connect_ubus()函数)，
    2. 初始化services（服务）和validators（服务验证器）全局AVL tree
    3. 把ubusd服务加入services管理对象中(service_start_early)
    4. 根据/etc/inittab内容把cmd、handler对应关系加入全局链表actions中
    5. 顺序加载respawn、askconsole、askfirst、sysinit命令
    6. sysinit命令把/etc/rc.d/目录下所有启动脚本执行完成后将回调rcdone()函数把状态从STATE_INIT转变为STATE_RUNNING

  • #####STATE_RUNNING状态

    1. 进入STATE_RUNNING状态后procd运行uloop_run()主循环

Hotplug原理图

Hotplug原理的整个流程如下所示：

-----------------------
|    procd daemon     |
|    (hotplug.json)   |
-----------------------
		  netlink| socket			user space
-------------------------------------------------
				 |				    kernel space
-----------------------
|    (uevent [json])  |
|    kernel           |
-----------------------

主要过程分为以下两个部分：

  1. 内核发出uevent事件

内核使用uevent事件通知用户空间，uevent首先在内核中调用netlink_kernel_create()函数创建一个socket套接字，该函数原型在netlink.h中定义。这是一种特殊类型的socket ，专门用于内核空间与用户空间的异步通信。
kobject_uevent()产生uevent事件(/lib/kobject_uevent.c)，事件的部分信息通过环境变量传递，如$ACTION, $DEVPATH, $SUBSYSTEM等，产生的uevent先由netlink_broadcast_filtered()发出，最后调用uevent_helper[]所指定的程序来处理。
在linux中，uevent_helper[]里默认指定”/sbin/hotplug”，但可以通过/sys/kernel/uevent_helper（kernel/ksysfs.c）或/proc/kernel/uevent_helper(kernel/sysctl.c)来修改成指定的程序。 在新OpenWRT中，并不使用user_helper[]指定程序来处理uevent（/sbin/hotplug不存在，在以前版本中存在），而是通过PF_NETLINK套接字来获取来自内核空间的uevent。
2. 用户空间监听uevent

在proc/plug/hotplug.c中，创建一个PF_NETLINK套接字来监听内核netlink_broadcast_filtered()发出的uevent。收到uevent之后，在根据/etc/hotplug.json里的描述，定位到对应的执行函数来处理。
通常情况下，/etc/hotplug.json会调用/sbin/hotplug-call来处理uevent，它根据uevent的$SUBSYSTEM变量来分别调用/etc/hotplug.d下不同目录中的脚本。
/sbin/hotplug-call脚本如下所示，这里面的$1表示hotplug-call的第一个参数：

root@OpenWrt:/sbin# cat hotplug-call 
#!/bin/sh
# Copyright (C) 2006-2010 OpenWrt.org

export HOTPLUG_TYPE="$1"

. /lib/functions.sh

PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
LOGNAME=root
USER=root
export PATH LOGNAME USER
export DEVICENAME="${DEVPATH##*/}"

[ \! -z "$1" -a -d /etc/hotplug.d/$1 ] && {
        for script in $(ls /etc/hotplug.d/$1/* 2>&-); do (
                [ -f $script ] && . $script
        ); done
}

下表是hotplug.json的具体内容，重点关注蓝色字段。

root@OpenWrt:/etc# cat hotplug.json 

[
        [ "case", "ACTION", {
                "add": [
                        [ "if",
                                [ "and",
                                        [ "has", "MAJOR" ],
                                        [ "has", "MINOR" ],
                                ],
                                [
                                        [ "if",
                                                [ "or",
                                                        [ "eq", "DEVNAME",
                                                                [ "null", "full", "ptmx", "zero" ],
                                                        ],
                                                        [ "regex", "DEVNAME",
                                                                [ "^gpio", "^hvc" ],
                                                        ],
                                                ],
                                                [
                                                        [ "makedev", "/dev/%DEVNAME%", "0666" ],
                                                        [ "return" ],
                                                ]
                                        ],
                                        [ "if",
                                                [ "or",
                                                        [ "eq", "DEVNAME", "mapper/control" ],
                                                        [ "regex", "DEVPATH", "^ppp" ],
                                                ],
                                                [
                                                        [ "makedev", "/dev/%DEVNAME%", "0600" ],
                                                        [ "return" ],
                                                ],
                                        ],
                                        [ "if",
                                                [ "has", "DEVNAME" ],
                                                [ "makedev", "/dev/%DEVNAME%", "0644" ],
                                        ],
                                ],
                        ],
                        [ "if",
                                [ "has", "FIRMWARE" ],
                                [
                                        [ "exec", "/sbin/hotplug-call", "%SUBSYSTEM%" ],
                                        [ "load-firmware", "/lib/firmware" ],
                                        [ "return" ]
                                ]
                        ],
                ],
                "remove" : [
                        [ "if",
                                [ "and",
                                        [ "has", "DEVNAME" ],
                                        [ "has", "MAJOR" ],
                                        [ "has", "MINOR" ],
                                ],
                                [ "rm", "/dev/%DEVNAME%" ]
                        ]
                ]
        } ],
        [ "if",
                [ "eq", "SUBSYSTEM", "platform" ],
                [ "exec", "/sbin/hotplug-call", "%SUBSYSTEM%" ]
        ],
        [ "if",
                [ "and",
                        [ "has", "BUTTON" ],
                        [ "eq", "SUBSYSTEM", "button" ],
                ],
                [ "exec", "/etc/rc.button/%BUTTON%" ]
        ],
        [ "if",
                [ "eq", "SUBSYSTEM",
                        [ "net", "input", "usb", "ieee1394", "block", "atm", "zaptel", "tty", "button" ]
                ],
                [ "exec", "/sbin/hotplug-call", "%SUBSYSTEM%" ]
        ],
        [ "if",
                [ "and",
                        [ "eq", "SUBSYSTEM", "usb-serial" ],
                        [ "regex", "DEVNAME",
                                [ "^ttyUSB", "^ttyACM" ]
                        ],
                ],
                [

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