Question

难度系数：★★★☆☆

实验目的

• 掌握虚拟文件系统的实现原理
• 实践文件、目录、文件系统等概念

实验内容

在 Linux 0.11 上实现 procfs（proc 文件系统）内的 psinfo 结点。当读取此结点的内容时，可得到系统当前所有进程的状态信息。例如，用 cat 命令显示/proc/psinfo 的内容，可得到：

# cat /proc/psinfo
pid  state   father  counter start_time
0  1   -1  0   0
1  1   0   28  1
4  1   1   1   73
3  1   1   27  63
6  0   4   12  817

# cat /proc/hdinfo
total_blocks:  62000;
free_blocks:  39037;
used_blocks:  22963;
...

procfs 及其结点要在内核启动时自动创建。相关功能实现在 fs/proc.c 文件内。

实验报告

完成实验后，在实验报告中回答如下问题：

• 如果要求你在 psinfo 之外再实现另一个结点，具体内容自选，那么你会实现一个给出什么信息的结点？为什么？
• 一次 read() 未必能读出所有的数据，需要继续 read()，直到把数据读空为止。而数次 read() 之间，进程的状态可能会发生变化。你认为后几次 read() 传给用户的数据，应该是变化后的，还是变化前的？ 如果是变化后的，那么用户得到的数据衔接部分是否会有混乱？如何防止混乱？ 如果是变化前的，那么该在什么样的情况下更新 psinfo 的内容？

评分标准

• 自动创建/proc, /proc/psinfo;/proc/hdinfo;/proc/inodeinfo，20%
• psinfo 内容可读，内容符合题目要求，40%
• hdinfo 内容可读，符合题目要求，30%
• 实验报告，10%

实验提示

• procfs 简介

正式的 Linux 内核实现了 procfs，它是一个虚拟文件系统，通常被 mount 到/proc 目录上，通过虚拟文件和虚拟目录的方式提供访问系统参数的机会，所以有人称它为“了解系统信息的一个窗口”。这些虚拟的文件和目录并没有真实地存在在磁盘上，而是内核中各种数据的一种直观表示。虽然是虚拟的，但它们都可以通过标准的系统调用（open()、read() 等）访问。

例如，/proc/meminfo 中包含内存使用的信息，可以用 cat 命令显示其内容：

$ cat /proc/meminfo 
MemTotal:     384780 kB
MemFree:     13636 kB
Buffers:     13928 kB
Cached:     101680 kB
SwapCached:    132 kB
Active:     207764 kB
Inactive:    45720 kB
SwapTotal:    329324 kB
SwapFree:     329192 kB
Dirty:         0 kB
Writeback:       0 kB
……

其实，Linux 的很多系统命令就是通过读取/proc 实现的。例如 uname -a 的部分信息就来自/proc/version，而 uptime 的部分信息来自/proc/uptime 和/proc/loadavg。

关于 procfs 更多的信息请访问：http://en.wikipedia.org/wiki/Procfs

• 基本思路

Linux 是通过文件系统接口实现 procfs，并在启动时自动将其 mount 到/proc 目录上。此目录下的所有内容都是随着系统的运行自动建立、删除和更新的，而且它们完全存在于内存中，不占用任何外存空间。

Linux 0.11 还没有实现虚拟文件系统，也就是，还没有提供增加新文件系统支持的接口。所以本实验只能在现有文件系统的基础上，通过打补丁的方式模拟一个 procfs。

Linux 0.11 使用的是 Minix 的文件系统，这是一个典型的基于 inode 的文件系统，《注释》一书对它有详细描述。它的每个文件都要对应至少一个 inode，而 inode 中记录着文件的各种属性，包括文件类型。文件类型有普通文件、目录、字符设备文件和块设备文件等。在内核中，每种类型的文件都有不同的处理函数与之对应。我们可以增加一种新的文件类型——proc 文件，并在相应的处理函数内实现 procfs 要实现的功能。

• 增加新文件类型

在 include/sys/stat.h 文件中定义了几种文件类型和相应的测试宏：

#define S_IFMT  00170000
#define S_IFREG  0100000  //普通文件
#define S_IFBLK  0060000  //块设备
#define S_IFDIR  0040000  //目录
#define S_IFCHR  0020000  //字符设备
#define S_IFIFO  0010000
……

#define S_ISREG(m)    (((m) & S_IFMT) == S_IFREG)  //测试 m 是否是普通文件
#define S_ISDIR(m)    (((m) & S_IFMT) == S_IFDIR)  //测试 m 是否是目录
#define S_ISCHR(m)    (((m) & S_IFMT) == S_IFCHR)  //测试 m 是否是字符设备
#define S_ISBLK(m)    (((m) & S_IFMT) == S_IFBLK)  //测试 m 是否是块设备
#define S_ISFIFO(m)   (((m) & S_IFMT) == S_IFIFO)

增加新的类型的方法分两步：

定义一个类型宏 SIFPROC，其值应在 0010000 到 0100000 之间，但后四位八进制数必须是 0（这是 SIFMT 的限制，分析测试宏可知原因），而且不能和已有的任意一个 SIFXXX 相同； 定义一个测试宏 SISPROC(m)，形式仿照其它的 S_ISXXX(m) 注意，C 语言中以“0”直接接数字的常数是八进制数。

• 让 mknod() 支持新的文件类型

psinfo 结点要通过 mknod() 系统调用建立，所以要让它支持新的文件类型。直接修改 fs/namei.c 文件中的 sys_mknod() 函数中的一行代码，如下：

if (S_ISBLK(mode) || S_ISCHR(mode) || S_ISPROC(mode))
   inode->i_zone[0] = dev;
文件系统初始化

内核初始化的全部工作是在 main() 中完成，而 main() 在最后从内核态切换到用户态，并调用 init()。init() 做的第一件事情就是挂载根文件系统：

void init(void)
{
  ……
  setup((void *) &drive_info);
  ……
}

procfs 的初始化工作应该在根文件系统挂载之后开始。它包括两个步骤：

建立/proc 目录； 建立/proc 目录下的各个结点。本实验只建立/proc/psinfo。 建立目录和结点分别需要调用 mkdir() 和 mknod() 系统调用。因为初始化时已经在用户态，所以不能直接调用 sysmkdir() 和 sysmknod()。必须在初始化代码所在文件中实现这两个系统调用的用户态接口，即 API：

#include 
#define __LIBRARY__
#include 

_syscall2(int,mkdir,const char*,name,mode_t,mode)
_syscall3(int,mknod,const char*,filename,mode_t,mode,dev_t,dev)

mkdir() 时 mode 参数的值可以是“0755”（rwxr-xr-x），表示只允许 root 用户改写此目录，其它人只能进入和读取此目录。

procfs 是一个只读文件系统，所以用 mknod() 建立 psinfo 结点时，必须通过 mode 参数将其设为只读。建议使用“S_IFPROC|0444”做为 mode 值，表示这是一个 proc 文件，权限为 0444（r--r--r--），对所有用户只读。

mknod() 的第三个参数 dev 用来说明结点所代表的设备编号。对于 procfs 来说，此编号可以完全自定义。proc 文件的处理函数将通过这个编号决定对应文件包含的信息是什么。例如，可以把 0 对应 psinfo，1 对应 meminfo，2 对应 cpuinfo。

如此项工作完成得没有问题，那么编译、运行 0.11 内核后，用“ll /proc”可以看到：

# ll /proc
total 0
?r--r--r--   1 root   root        0 ??? ??  ???? psinfo

此时可以试着读一下此文件：

# cat /proc/psinfo
(Read)inode->i_mode=XXX444
cat: /proc/psinfo: EINVAL

inode->imode 就是通过 mknod() 设置的 mode。信息中的 XXX 和你设置的 SIFPROC 有关。通过此值可以了解 mknod() 工作是否正常。这些信息说明内核在对 psinfo 进行读操作时不能正确处理，向 cat 返回了 EINVAL 错误。因为还没有实现处理函数，所以这是很正常的。

这些信息至少说明，psinfo 被正确 open() 了。所以我们不需要对 sysopen() 动任何手脚，唯一要打补丁的，是 sysread()。

让 proc 文件可读

open() 没有变化，那么需要修改的就是 sysread() 了。首先分析 sysread（在文件 fs/read_write.c 中）：

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count)
{
  struct file * file;
  struct m_inode * inode;
  ……
  inode = file->f_inode;
  if (inode->i_pipe)
    return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
  if (S_ISCHR(inode->i_mode))
    return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
  if (S_ISBLK(inode->i_mode))
    return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
  if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) {
    if (count+file->f_pos > inode->i_size)
      count = inode->i_size - file->f_pos;
    if (count<=0)
      return 0;
    return file_read(inode,file,buf,count);
  }

  printk("(Read)inode->i_mode=%06o\n\r",inode->i_mode); //这条信息很面善吧？
  return -EINVAL;
}

显然，要在这里一群 if 的排比中，加上 S_IFPROC() 的分支，进入对 proc 文件的处理函数。需要传给处理函数的参数包括：

• inode->i_zone[0]，这就是 mknod() 时指定的 dev——设备编号
• buf，指向用户空间，就是 read() 的第二个参数，用来接收数据
• count，就是 read() 的第三个参数，说明 buf 指向的缓冲区大小
• &file->fpos，fpos 是上一次读文件结束时“文件位置指针”的指向。这里必须传指针，因为处理函数需要根据传给 buf 的数据量修改 f_pos 的值。
• proc 文件的处理函数

proc 文件的处理函数的功能是根据设备编号，把不同的内容写入到用户空间的 buf。写入的数据要从 fpos 指向的位置开始，每次最多写 count 个字节，并根据实际写入的字节数调整 fpos 的值，最后返回实际写入的字节数。当设备编号表明要读的是 psinfo 的内容时，就要按照 psinfo 的形式组织数据。

实现此函数可能要用到如下几个函数：

malloc() 和 free()

包含 linux/kernel.h 头文件后，就可以使用 malloc() 和 free() 函数。它们是可以被核心态代码调用的，唯一的限制是一次申请的内存大小不能超过一个页面。

• sprintf()

Linux 0.11 没有 sprintf()，可以参考 printf() 自己实现一个，如下：

#include <stdarg.h>
……
int sprintf(char *buf, const char *fmt, ...)
{
  va_list args; int i;
  va_start(args, fmt);
  i=vsprintf(buf, fmt, args);
  va_end(args);
  return i;
}

• cat 命令

cat 是 Linux 下的一个常用命令，功能是将文件的内容打印到标准输出。它核心实现大体如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
  char buf[513] = {'\0'};
  int nread;

  int fd = open(argv[1], O_RDONLY, 0);
  while(nread = read(fd, buf, 512))
  {
    buf[nread] = '\0';
    puts(buf);
  }

  return 0;
}

• psinfo 的内容

进程的信息就来源于内核全局结构数组 struct taskstruct * task[NRTASKS]中，具体读取细节可参照 sched.c 中的函数 schedule()>

for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)

if (*p)
   (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1)+...;

• hdinfo 的内容

硬盘总共有多少块，多少块空闲，有多少 inode 等信息都放在 super 块中，super 块可以通过 get_super() 函数获得，其中的信息可以借鉴如下代码。

struct super_block * sb; 
sb=get_super(inode->i_dev);

struct buffer_head * bh;
total_blocks = sb->s_nzones; 

for(i=0; is_zmap_blocks; i++)
{

  bh = sb->s_zmap[i];
  p=(char *)bh->b_data;