Linux 输入子系统（Input Subsystem）一文吃透：结构、调用链、关键 API 与实战

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Linux 输入子系统（Input Subsystem）一文吃透：结构、调用链、关键 API 与实战

目标：用一篇文把 Linux 输入子系统讲清楚：它做什么、分几层、怎么绑定、哪些关键结构体与函数、如何写一个最小的输入驱动、如何从用户空间读取/注入事件、以及常见调试方法。

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1. 快速总览（一句话 + 总体结构图）

一句话：输入子系统把各种硬件（键盘、触摸、鼠标、手柄…）的原始数据标准化为事件（EV_KEY/EV_ABS/EV_REL/...），通过 handler（如 evdev） 暴露为 /dev/input/eventX 给用户程序。

硬件中断/轮询
   │
   ▼
设备驱动（Producer）—— drivers/input/*
  - 创建并注册：struct input_dev
  - 上报事件：input_report_*() + input_sync()
   │
   ▼
Input Core（撮合/转发）—— drivers/input/input.c
  - 维护设备/handler 列表
  - 匹配：input_match_device()
  - 绑定：handler->connect()
  - 转发：input_event()
   │
   ▼
事件处理层 Handler（Consumer）—— 以 evdev 为例
  - /dev/input/eventX（字符设备接口）
  - evdev_event()/evdev_read()/ioctl
   │
   ▼
用户空间：Xorg/Wayland(libinput) 或 直接 read()/libevdev

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2. 关键数据结构与事件类型

2.1 核心结构体（头文件：include/linux/input.h）

• struct input_dev：设备驱动创建的输入设备对象；包含能力位图、回调（open/close）等。
• struct input_handler：事件驱动（如 evdev/mousedev/joydev）的抽象；定义 connect/disconnect/event 回调与匹配表 id_table。
• struct input_handle：纽带，把一个 input_dev 与一个 input_handler 连接起来。
• struct input_event（UAPI：include/uapi/linux/input.h）：用户空间读到的事件结构：

struct input_event {
    struct timeval time;   /* 时间戳 */
    __u16 type;            /* EV_* */
    __u16 code;            /* KEY_* / ABS_* / REL_* / ... */
    __s32 value;           /* 值 */
};

2.2 常见事件类型（速查表）

类型	含义	典型 code	value 例子
EV_KEY	按键/按钮	KEY_A, BTN_TOUCH, KEY_POWER	0=松开, 1=按下, 2=自动重复
EV_ABS	绝对轴	ABS_X/Y, ABS_MT_*	坐标/压力/面积等
EV_REL	相对轴	REL_X/Y, REL_WHEEL	相对位移/滚轮
EV_SYN	同步	SYN_REPORT, SYN_MT_REPORT, SYN_DROPPED	帧结束/MT触点/丢帧提示

要点：用户态通常按帧处理事件：一组 EV_* 之后会跟一个 EV_SYN/SYN_REPORT 表示“该帧结束”。

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3. 从设备树到 /dev/input/eventX 的链路

以 I²C 触摸（如 maXTouch）为例：

1. DTS 匹配：compatible = "atmel,maxtouch" → I²C 框架创建 i2c_client 并与驱动匹配。

2. probe：驱动获取电源/中断/GPIO/pinctrl 等资源。

3. 注册 input_dev：

   • devm_input_allocate_device()
   • 声明能力 input_set_capability() / 设轴 input_set_abs_params() / 多点触控 input_mt_init_slots()
   • input_register_device()

4. input core 撮合 handler：遍历已注册 handler（如 evdev），按 id_table + 能力位图 匹配 → 调用 handler->connect()。

5. evdev 生成节点：创建 /dev/input/eventX 字符设备。

6. 中断上报：IRQ 线程解析触点 → input_report_*() + input_mt_sync_frame() + input_sync() → 用户态可读。

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4. 设备驱动（Producer）最小骨架（按键示例）

类似 drivers/input/keyboard/gpio_keys.c 思路，演示 input API 最小用法。

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include <linux/input.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>

struct mykey {
    struct input_dev *idev;
    struct gpio_desc *gpiod;
    int irq;
};

static irqreturn_t mykey_irq(int irq, void *devid)
{
    struct mykey *mk = devid;
    int v = gpiod_get_value_cansleep(mk->gpiod); // 1=高电平，假定按下
    input_report_key(mk->idev, KEY_POWER, v);
    input_sync(mk->idev); // 一帧结束（很关键）
    return IRQ_HANDLED;
}

static int mykey_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct mykey *mk = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*mk), GFP_KERNEL);
    int err;

    mk->idev = devm_input_allocate_device(&pdev->dev);
    if (!mk->idev) return -ENOMEM;

    mk->idev->name = "mykey-power";
    mk->idev->phys = "input/mykey";
    input_set_capability(mk->idev, EV_KEY, KEY_POWER);

    err = input_register_device(mk->idev);
    if (err) return err;

    mk->gpiod = devm_gpiod_get(&pdev->dev, NULL, GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(mk->gpiod)) return PTR_ERR(mk->gpiod);

    mk->irq = gpiod_to_irq(mk->gpiod);
    if (mk->irq < 0) return mk->irq;

    err = devm_request_threaded_irq(&pdev->dev, mk->irq, NULL, mykey_irq,
            IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING | IRQF_ONESHOT,
            dev_name(&pdev->dev), mk);
    return err;
}

static const struct of_device_id mykey_of[] = {
    { .compatible = "myvendor,mykey-power" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, mykey_of);

static struct platform_driver mykey_drv = {
    .probe = mykey_probe,
    .driver = {
        .name = "mykey",
        .of_match_table = mykey_of,
    },
};
module_platform_driver(mykey_drv);
MODULE_LICENSE("GPL");

检查点：

• 有 input_register_device()；
• 有 input_report_key() + input_sync()；
• 能力声明了 EV_KEY/KEY_POWER。

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5. Input Core：撮合与转发（drivers/input/input.c）

• 注册设备：input_register_device(struct input_dev *dev)

  • 把 dev 放入全局设备链表；
  • 遍历所有 input_handler，用 input_match_device() 按 id_table + 能力位图 匹配；
  • 成功则调用 handler->connect(handler, dev, id)，生成 input_handle 绑定二者。

• 注册 handler：input_register_handler(struct input_handler *handler)

  • 把 handler 放入全局 handler 链表；
  • 反向遍历现有设备，逐个尝试连接（同上）。

• 事件转发：input_event(dev, type, code, value)

  • 对 dev 绑定的每个 handle：调用 handle->handler->event(handle, ...)。

• open/close 机制：

  • 第一次有人打开某个 handler 对应的设备文件（如 /dev/input/eventX） → input_open_device() 计数从 0→1 → 调 dev->open()（设备驱动提供，常用于上电/使能中断）。
  • 最后一个关闭 → input_close_device() 计数从 1→0 → 调 dev->close()。

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6. Handler：以 evdev 为例（drivers/input/evdev.c）

• 注册 handler：

static const struct input_handler evdev_handler = {
    .event      = evdev_event,
    .connect    = evdev_connect,
    .disconnect = evdev_disconnect,
    .name       = "evdev",
    .id_table   = evdev_ids, // 基本匹配所有常见输入设备
};
static int __init evdev_init(void)
{ return input_register_handler(&evdev_handler); }

• connect()：创建设备节点 /dev/input/eventX，设置 file_operations evdev_fops：

  • evdev_open()/release()：打开/关闭时创建/销毁 evdev_client（每个进程一个环形缓冲）。
  • evdev_read()：把 struct input_event 从环形缓冲拷给用户态；配合 evdev_poll() 支持 poll/epoll。
  • evdev_ioctl()：EVIOCGNAME/EVIOCGBIT/EVIOCGABS/EVIOCGRAB/...。

• event()：写入 client 缓冲

  • 每次 input_event() 调到 evdev_event()，把 (type,code,value) 写到所有打开者的环形缓冲；
  • 帧结束由 EV_SYN/SYN_REPORT 标识；
  • 若缓冲溢出，向该 client 注入 SYN_DROPPED，提示用户态重同步。

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7. 多点触控（MT）最常用套路

• 初始化槽位：input_mt_init_slots(input, slots, INPUT_MT_DIRECT);
• 上报一帧（Type-B 协议）：

for_each_contact(...) {
    input_mt_slot(input, slot_id);
    input_mt_report_slot_state(input, MT_TOOL_FINGER, true);
    input_report_abs(input, ABS_MT_POSITION_X, x);
    input_report_abs(input, ABS_MT_POSITION_Y, y);
}
input_report_key(input, BTN_TOUCH, contacts > 0);
input_mt_sync_frame(input);
input_sync(input);

注意：坐标范围需用 input_set_abs_params(input, ABS_MT_POSITION_X, min, max, fuzz, flat) 预先声明。

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8. 用户空间：读取与注入

8.1 直接读取（最小 C 示例）

#include <linux/input.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char **argv) {
    const char *dev = argc > 1 ? argv[1] : "/dev/input/event0";
    int fd = open(dev, O_RDONLY);
    if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }

    char name[256];
    ioctl(fd, EVIOCGNAME(sizeof(name)), name);
    printf("device: %s\n", name);

    struct input_event ev;
    while (read(fd, &ev, sizeof(ev)) == sizeof(ev)) {
        printf("%ld.%06ld type=%04x code=%04x value=%d\n",
               (long)ev.time.tv_sec, (long)ev.time.tv_usec,
               ev.type, ev.code, ev.value);
    }
    return 0;
}

桌面环境（Wayland/Xorg）下，普通应用通常不直接读 eventX，而是通过 GUI 框架事件；无合成器（EGLFS/fbdev/DRM 自绘）时可直接读或用 libevdev/libinput。

8.2 用户空间注入：uinput（最小示例：按 A 键）

#include <linux/uinput.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

static void emit(int fd, __u16 type, __u16 code, __s32 val) {
    struct input_event ie = {0};
    gettimeofday(&ie.time, NULL);
    ie.type=type; ie.code=code; ie.value=val;
    write(fd, &ie, sizeof(ie));
}

int main(){
    int fd = open("/dev/uinput", O_WRONLY | O_NONBLOCK);
    ioctl(fd, UI_SET_EVBIT, EV_KEY);
    ioctl(fd, UI_SET_KEYBIT, KEY_A);

    struct uinput_setup us = { .id.bustype=BUS_USB };
    strcpy(us.name, "demo-uinput");
    ioctl(fd, UI_DEV_SETUP, &us);
    ioctl(fd, UI_DEV_CREATE);

    emit(fd, EV_KEY, KEY_A, 1); emit(fd, EV_SYN, SYN_REPORT, 0);
    usleep(100000);
    emit(fd, EV_KEY, KEY_A, 0); emit(fd, EV_SYN, SYN_REPORT, 0);

    ioctl(fd, UI_DEV_DESTROY); close(fd); return 0;
}

需 modprobe uinput，并有权限写 /dev/uinput。

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9. 调试 & 排错清单

• 设备是否注册为 input：cat /proc/bus/input/devices（看是否有你的设备名与 Handlers= eventX）。

• 从 eventX 反查：

  • 名称：cat /sys/class/input/eventX/device/name
  • handler：readlink -f /sys/class/input/eventX/device/driver（应为 .../drivers/input/evdev）
  • DTS 节点：readlink -f /sys/class/input/eventX/device/of_node

• Kconfig：CONFIG_INPUT, CONFIG_INPUT_EVDEV 是否开启。

• 常见坑：

  • 没声明能力（input_set_capability/input_set_abs_params）→ 用户态看不到对应事件。
  • 忘记 input_sync() → 应用端“卡帧”。
  • 多点触控未调用 input_mt_sync_frame() → slot 同步错乱。
  • 缓冲溢出 → 收到 SYN_DROPPED，需要应用侧重同步。
  • 权限/独占：Wayland 下应用通常无权直接读 eventX；或被他人 EVIOCGRAB 抢占。

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10. 快速归属 & 源码定位技巧（5 分钟内搞定）

• 搜注册 API：rg -n "input_register_device|led_classdev_register|video_register_device|register_netdev"（判断属于哪个功能子系统）。
• 搜标志结构体：rg -n "struct input_dev|struct input_handler|struct evdev" drivers/。
• 看文件路径：drivers/input/* 基本实锤；drivers/leds/* 是 LED 子系统（不是 input）。
• 看 bindings：Documentation/devicetree/bindings/input/*.yaml。

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11. 常见问答（FAQ）

Q: 设备驱动（device driver）与事件驱动（event driver/handler）有什么区别？如何绑定？
A: 设备驱动面向硬件，创建 input_dev 并 input_report_*；事件驱动面向 input core 事件（如 evdev），以 struct input_handler 形式注册。绑定由 input core 在 input_register_device() 与 input_register_handler() 时互相撮合，通过 input_match_device() 匹配，handler->connect() 生成 input_handle 连接。

Q: evdev 的作用？
A: 提供通用字符设备接口 /dev/input/eventX。把 input core 的事件写入每个打开者的环形缓冲（evdev_event()），用户态通过 read/poll/ioctl 读取（evdev_read()）。

Q: Wayland/Xorg 存在时应用还要直接读 eventX 吗？
A: 一般不需要。桌面环境通过 libinput 统一接管输入，应用用 GUI 框架事件即可。若无合成器（EGLFS/DRM 自绘），可直接读 evdev 或用 libevdev/libinput。

Q: devm_ 前缀是什么？
A: device-managed 的缩写：资源与 struct device 生命周期绑定，probe() 失败或 remove() 时自动释放，对应释放由 devres 机制管理。

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12. 关键文件与目录索引（方便 grep）

• 核心：drivers/input/input.c，include/linux/input.h，include/uapi/linux/input.h
• handler：drivers/input/evdev.c（以及 mousedev.c、joydev.c）
• 多点触控：drivers/input/input-mt.c
• 示例驱动：drivers/input/touchscreen/*、drivers/input/keyboard/*
• 工具：用户空间 evtest；库：libevdev、libinput

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13. 小结

• 结构：设备驱动（Producer）→ Input Core（撮合/转发）→ Handler（Consumer，evdev 等）→ 用户空间。
• 关键：input_register_device()、input_register_handler()、input_event()、evdev_connect/event/read/ioctl。
• 实战：声明能力 → 注册 input_dev → 中断上报 + input_sync；用户侧读 eventX 或交给桌面/框架。

把本文打印一页贴墙，配合 rg/grep 思路去读驱动代码，很快就能在面试或项目里从容应答与定位问题。

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