HIT oslab之实验9 proc文件系统的实现

布满荆棘的人生 2022-11-15 11:58 212阅读 0赞

# 一、实验内容 #

在Linux-0.11上实现procfs(proc文件系统)：`/proc`，该目录下有2个文件：  
(1)psinfo（进程信息）  
当读取此文件的内容时，可得到系统当前所有进程的状态信息。  
![在这里插入图片描述][2021040110334697.png]  
(2)hdinfo（硬盘信息）  
当读取此文件的内容时，可得到系统硬盘的使用情况。  
![在这里插入图片描述][2021040110345842.png]

> 说明：  
> ①procfs要在内核启动时自动创建。  
> ②相关功能实现在 fs/proc.c 文件内。

# 二、实现procfs #

## 1.增加新文件类型（在`include/sys/stat.h`文件中） ##

（0）原因  
在[HIT oslab之设备管理 (显示器 + 键盘)][HIT oslab_ _ _]讲过，unix/linux哲学认为“一切皆文件”。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。**

> inode：index node 索引节点。

（1）方法  
①定义一个类型宏 S\_IFPROC，**其值应在 0010000 到 0100000 之间，但后四位八进制数必须是 0**(这是 S\_IFMT 的限制，分析测试宏可知原因)，而且不能和已有的任意一个 S\_IFXXX 相同；

> 注意：C 语言中以 “0” 直接接数字的常数是八进制数。

②定义一个测试宏 S\_ISPROC(m)，形式仿照其它的 S\_ISXXX(m)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 2.把proc文件当作设备文件就可以根据设备号来处理不同的proc文件 ##

(1)逻辑  
如果把[HIT oslab之设备管理 (显示器 + 键盘)][HIT oslab_ _ _]搞明白了，先根据文件类型做一次分支，如果是设备文件接下来就是根据**设备号**来做一次分支了。

(2)在`fs/namei.c`中对`sys_mknod()`按如下进行修改：  
![在这里插入图片描述][20210401175739372.png]

> sys\_mknod函数的核心功能：创建inode。  
> 这样就能根据路径`/proc/psinfo`找到psinfo的inode了。

## 3.procfs的初始化 ##

(0)前言  
上文要实现根据路径`/proc/psinfo`找到psinfo的inode了。首先得有**proc目录**啊！

> 而要有proc目录，首先得有**根目录**啊！而挂载根目录是1号进程在执行init函数时实现的。(注意：此时已经是`用户态`了！！！)  
> 所以，procfs 的初始化工作应该在根文件系统挂载之后开始。

(1)建立 /proc 目录；建立 /proc 目录下的各个文件（以`psinfo`为例子）。

> 由于此时是用户态，不能直接调用sys\_mkdir()建立目录和sys\_mknod()建立inode。  
> 所以，又是通过**系统调用**的方式来实现！

1）在`init/main.c`中做如下修改  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

> 说明：  
> ①保证下图`#define`存在，若不存在则自行添加  
> ![在这里插入图片描述][20210401182248768.png]  
> ②`mkdir()`的`mode`参数的值可以是 “`0755`”（对应 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。  
> ③procfs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。  
> ④mknod()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。

> ⑤**mkdir时会创建proc目录的inode**  
> ⑥`S_IFPROC | 0444`真妙啊！ 怪不得S\_IFPROC的最后4个八进制数是0！这样做一个mode既告知了文件属性，又告知了文件权限。妙不可言啊！

(2)验证  
![在这里插入图片描述][20210401184116267.png]  
![在这里插入图片描述][20210401184234664.png]

> 说明:  
> ①03和设置的S\_IFPROC(0030000)吻合，0444也和设置的文件权限吻合。  
> ②之所以是EINVAL，是因为还没有实现针对`psinfo`的处理函数。但验证了psinfo可以被正确open()。

## 4.让proc文件可读 ##

(0)逻辑  
`cat /proc/psinfo`的流程如下：  
①`fd = open("proc/psinfo")；`  
②read(fd)，并把psinfo文件的内容打印到屏幕上。

> read函数请求系统调用，让`sys_read`系统调用函数完成读文件的操作。  
> 在sys\_read函数中，就有如下内容：  
> ![在这里插入图片描述][20210401185521491.png]  
> 和上文验证结果吻合。

(1)增加对proc文件的处理函数`proc_read`（在`fs/read_write.c`的`sys_read`函数中）  
![在这里插入图片描述][20210401190722175.png]

> 参数说明：  
> ①`inode->i_zone[0]`，这就是`mknod()`时指定的`dev`——设备编号;  
> ②`buf`，指向用户空间，就是`read()`的第二个参数，用来接收数据;  
> ③`count`，就是`read()`的第三个参数，说明`buf`指向的缓冲区大小;  
> ④`&file->f_pos`，`f_pos`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。

# 三、实现proc 文件的处理函数`proc_read` #

## 1.在`linux-0.11/fs`目录下新建`proc_dev.c` ##

## 2.proc\_dev.c的源码及注释 ##

> 解释：  
> ①pos的定义在`linux/fs.h`中，如下所示：  
> ![在这里插入图片描述][20210401201629773.png]  
> off\_t类型用于指示文件的偏移量, 实际是unsigned long。

> 疑惑:  
> 感觉pos在proc\_read函数中没发挥作用啊。  
> 每次执行`cat /proc/psinifo`，都会重新向proc\_buf处写内容，然后把内容传输到buf中。但是，从运行结果来看，每次都是从偏移0个字符开始传输（pos = 0，这可能是一种default）。而且确实也应该从proc\_buf的0处开始传输。

## 3.修改`fs/Makefile` ##

![在这里插入图片描述][2021040121015567.png]

# 四、验证 #

1.`cat /proc/psinfo`的结果  
![在这里插入图片描述][20210401210500493.png]

# 五、补充 #

## 1.创建`/proc/hdinfo`、`/proc/inodeinfo`（在`init/main.c`的init函数中） ##

![在这里插入图片描述][20210401215727331.png]  
![在这里插入图片描述][2021040121581079.png]

## 2.在上述proc\_read函数中，增加处理`hdinfo`(即dev = 1)的内容 ##

(1)选取如下内容作为要打印的hard disk information  
①i节点位图所占块数：s\_imap\_blocks  
②逻辑块位图所占块数：s\_zmap\_blocks  
③i节点的总数：s\_ninodes;  
④逻辑块的总数：s\_nzones;  
⑤已用的逻辑块数：used\_blocks  
⑥空闲的逻辑块数：free\_blocks

> 通过②计算出⑤~⑥；

(2)①~④在超级块(super\_block)中定义  
struct super\_block \* sb = get\_super(current->root->i\_dev);

> 解释：
> 
>  *  1个文件系统对应1个超级块。
>  *  当前进程(其结构体，如下所示)的root字段指根目录i节点结构。  
>     ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]
>  *  根目录i节点(其结构体，如下所示)的i\_dev字段指明了根目录所在设备的编号。  
>     ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]
>  *  综上所述：get\_super(current->root->i\_dev)找到了文件系统对应的超级块。而文件系统又是对磁盘(准确说是外部存储设备)的抽象，从而可以打印出hard disk information。

(3)proc\_dev.c的源码及注释

#include <linux/kernel.h> //用到了malloc(), free()
    #include <stdarg.h> //用到了va_start()等和vsprintf()
    #include <linux/sched.h> //遍历进程是仿照schedule函数，其在sched.c中
    #include <asm/segment.h> //使用了put_fs_byte
    
    #define MAX_NUM 1024 //malloc申请的内存空间不超过1页;
    #define MAX_B_DATA 1024 //一个位图占1024B
    
    /* 仿照printf函数实现sprintf：将格式化数据写入缓冲区 
     *成功返回写入buf的字符个数，失败返回-1
     * */
    //extern int vsprintf(char * buf, const char * fmt, va_list args);
    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;
    }
    	
    int proc_read(int dev, char *buf, int count, unsigned long *pos) {
        
    	/*由于buf是用户段的地址空间，所以内核段还得申请一段地址空间
    	 *之后再把内核段数据传输到用户段的地址空间
    	 * */
    	char *proc_buf = NULL;
    	int printf_num = 0; //接收sprintf的返回值，表征输出的字符个数;
    	int tmp_pn; //可能sprintf会返回-1 
    	unsigned long offset = *pos; //博客中解释
    	int output_num = 0; //根据output_num来更新pos；
    	struct task_struct **p; //为了遍历系统所有进程
    	
    	/* 与硬盘信息相关的变量*/
    	struct super_block *sb;
    	unsigned short sib;        // sib指s_imap_blocks
    	unsigned short szb;        // szb指s_zmap_blocks
    	unsigned short ninodes;   // 指s_ninodes;
    	unsigned short nzones;    // 指s_nzones;
    	int used_blocks = 0;
    	int free_blocks = 0;
    	struct buffer_head *bh;   // 逻辑块位图缓冲块指针；
    	int i;  // i号逻辑块位图缓冲块
    	char bd;   // 逻辑块位图, 只用1位来指示盘块的使用情况，而char是8bit；
    	int j; // 1024个bd;
    	int k; // bd的每1bit;
    	int flag = 0;  // 当used_blocks + free_blocks == nzones，就不应该再统计了。
    
    	switch (dev) {
        
    		case 0:
    			/** 处理psinfo文件 **/
    			proc_buf = (char *)malloc(sizeof(char) * MAX_NUM);
    			printf_num = sprintf(proc_buf, "pid\tstate\tfather\tcounter\tstart_time\n");
    			/* 遍历系统的所有进程（参照schedule函数的处理）*/
    			for(p = &FIRST_TASK; p <= &LAST_TASK; p++) {
        
    				if(*p) {
        
    					tmp_pn = sprintf(proc_buf + printf_num,  					"%3d\t%5d\t%6d\t%7d\t%10d\n", 
    					(*p)->pid, (*p)->state, (*p)->father, (*p)->counter, (*p)->start_time);
    					if(tmp_pn < 0) {
        
    						// proc_buf空间不够，需要增大MAX_NUM
    						return -1;
    					}
    					printf_num += tmp_pn;
    				}
    					
    			}
    			*(proc_buf + printf_num) = '\0';
    			break;
    		case 1:
    			/** 处理hdinfo文件 */	
    				
    			// 获得超级块
    			sb = get_super(current->root->i_dev);
    			/* 获取1～4信息 */
    			sib = sb->s_imap_blocks;
    			szb = sb->s_zmap_blocks;
    			ninodes = sb->s_ninodes;
    			nzones = sb->s_nzones;
    
    			/* 计算5～6 */
    			for(i = 0; i < szb; i++) {
        
    				if(flag)
    					break; 
    				bh = sb->s_zmap[i];  // s_zmap指逻辑块位图缓冲块指针数组
    				for(j = 0; j < MAX_B_DATA; j++) {
        
    					if(flag)
    						break;
    					bd = *(bh->b_data + j);
    					for(k = 0; k < 8; k++) {
        
    							if(used_blocks + free_blocks == nzones) {
        
    								flag = 1;
    								break;
    							}
    							if(bd & (1 << k))
    								used_blocks++;
    							else
    								free_blocks++;
    					}
    				}
    			}
    
    			/* 写入proc_buf */
    			proc_buf = (char *)malloc(sizeof(char) * MAX_NUM);
    			printf_num = sprintf(proc_buf, 
    			"s_imap_blocks: %d\ns_zmap_blocks: %d\ns_ninodes: %d\ns_nzones: %d\nused_blocks: %d\nfree_blocks: %d\n", 
    			sib, szb, ninodes, nzones, used_blocks, free_blocks);
    			*(proc_buf + printf_num) = '\0';
    			break;
    		default:
    			break;
    	}
    	
    	/* 将内核段数据proc_buf传输到用户段的地址空间buf*/
    	while(count > 0) {
        
    		if(offset > printf_num)
    			break;
    		put_fs_byte(*(proc_buf + offset), buf++);
    		count--;
    		if(*(proc_buf + offset) == '\0')
    			break;
    		offset++;
    		output_num++;
    	}
    	(*pos) += output_num;
    
    	free(proc_buf);
    	return output_num;
    }

> 打印出hdinfo内容的核心部分：  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

> buffer\_head数据结构：  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

(4)结果  
①used\_blocks + free\_blocks = 65536 != 62000  
![在这里插入图片描述][20210402125728886.png]

> 解释：
> 
>  *  65536是理论值  
>     ![在这里插入图片描述][20210402125822765.png]
>  *  62000是实际值，理由如下：  
>     虽然逻辑块位图有8个缓冲块，但是实际硬盘可能小于64MB，猜测多统计了些free\_blocks

②used\_blocks + free\_blocks = 62000

if(used_blocks + free_blocks == nzones) {
        
    	flag = 1;
    	break;
    }

![在这里插入图片描述][20210402134637814.png]

> 为啥多统计了些used\_blocks？  
> ![在这里插入图片描述][20210402142812980.png]  
> 原来超出实际值后，都是用1表示的。所以算成了used\_blocks。

## 3.[参考资料][Link 1] ##

[2021040110334697.png]: /images/20221022/3bff4ed3b23942e4b2e655fb871c31ec.png
[2021040110345842.png]: /images/20221022/d2bb65b9742c457294ccf7f0cfff7cb0.png
[HIT oslab_ _ _]: https://blog.csdn.net/weixin_37477009/article/details/115360043
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401111121827.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20210401175739372.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401175739372.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401181849747.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20210401182248768.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401182248768.png
[20210401184116267.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401184116267.png
[20210401184234664.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401184234664.png
[20210401185521491.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401185521491.png
[20210401190722175.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401190722175.png
[20210401201629773.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401201629773.png
[2021040121015567.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2021040121015567.png
[20210401210500493.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401210500493.png
[20210401215727331.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210401215727331.png
[2021040121581079.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2021040121581079.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402104048398.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402105641538.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/2021040214150959.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402111945816.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20210402125728886.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402125728886.png
[20210402125822765.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402125822765.png
[20210402134637814.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402134637814.png
[20210402142812980.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210402142812980.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_41708792/article/details/93719759