HIT-OSLab8

HIT-OSLab8

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 节点，当读取此节点的内容的时候，可得到系统当前所有进程的状态信息
• 在 Linux-0.11 上实现 procfs(proc文件系统) 内的 hdinfo 节点，当读取此节点的内容的时候，可以打印出硬盘的一些信息
• 参考格式如下：

# 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;

实验过程

procfs 是一个 Linux 内核模块，它提供了一个用于访问进程信息的文件系统

• 通过 procfs，你可以查看与进程有关的信息，如进程 ID、进程名、进程的命令行参数等
• 它使得用户可以方便地对进程进行管理和监控

procfs 的实现依赖于内核的 proc 文件系统，它将进程信息存储在 /proc 目录下

• 这个目录提供了一组用于访问进程信息的文件和目录
• 通过这些文件，你可以查看进程的详细信息，如 /proc/[pid]/cmdline 文件可以查看进程的命令行参数

在开始实验前，我们需要先了解 linux 中的两个关键结构 file 和 inode

在 Linux 中，结构体 file 用于描述一个内存中的文件（打开的文件）

struct file {
	unsigned short f_mode;		/* 文件权限 */
	unsigned short f_flags;		/* 文件标志 */
	unsigned short f_count;		/* 文件计数器 */
	struct m_inode * f_inode;	/* 对应inode结构体 */
	off_t f_pos;			   /* 表示文件当前位置 */
};

每种类型的文件都有一个唯一的标识符，即索引节点 inode，结构体 inode 用于描述一个在磁盘中的文件或者一个有特定功能的虚拟文件

索引节点有两种类型：

• metadata inode 是用于存储文件元数据的 inode
  • 元数据(metadata)：用来描述一个文件的特征，包含了该文件或目录的元数据，如权限、所有者、组、大小、创建时间等
• data inode 是用于存储文件数据的 inode
  • 数据(data)：泛指普通文件中的实际数据

在 linux-0.11 中似乎没有刻意去区别这两种类型的 inode：

struct d_inode {
	unsigned short i_mode;
	unsigned short i_uid;
	unsigned long i_size;
	unsigned long i_time;
	unsigned char i_gid;
	unsigned char i_nlinks;
	unsigned short i_zone[9];
};

struct m_inode {
	unsigned short i_mode;		/* 文件权限 */
	unsigned short i_uid;		/* 文件所有者 */
	unsigned long i_size;		/* 文件大小 */
	unsigned long i_mtime;		/* 最后修改的时间 */
	unsigned char i_gid;		/* 文件组 */
	unsigned char i_nlinks;		/* 文件链接数 */
	unsigned short i_zone[9];	/* 文件磁盘区域 */
/* these are in memory also */
	struct task_struct * i_wait; /* 对应任务 */
	unsigned long i_atime;		/* 访问时间 */
	unsigned long i_ctime;		/* 修改时间 */
	unsigned short i_dev;		/* 设备号 */
	unsigned short i_num;		/* 文件编号 */
	unsigned short i_count;		/* 计数器 */
	unsigned char i_lock;		/* 锁标记 */
	unsigned char i_dirt;		/* 脏标记 */
	unsigned char i_pipe;		/* 管道标记 */
	unsigned char i_mount;		/* 挂载标记 */
	unsigned char i_seek;		/* 在文件读取时使用的缓冲区大小 */
	unsigned char i_update;		/* 在更新文件时使用的缓冲区大小 */
};

首先 proc 文件系统中包含一种特殊类型的文件，需要在 include/sys/stat.h 中进行定义：

#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		/* 管道 */

#define S_ISREG(m)	(((m) & S_IFMT) == S_IFREG)		/* 是否为普通文件 */
#define S_ISDIR(m)	(((m) & S_IFMT) == S_IFDIR)		/* 是否为目录 */
#define S_ISCHR(m)	(((m) & S_IFMT) == S_IFCHR)		/* 是否为字符设备 */
#define S_ISBLK(m)	(((m) & S_IFMT) == S_IFBLK)		/* 是否为块设备 */
#define S_ISFIFO(m)	(((m) & S_IFMT) == S_IFIFO)		/* 是否为管道 */

#define S_IFPROC 0030000		/* proc文件 */
#define S_ISPROC(m) (((m) & S_IFMT) ==  S_IFPROC) 	/* 是否为proc文件 */

接下来我们需要在 sys_mknod sys_read 中添加有关 proc 文件的判断，使其可以支持 proc 文件：

int sys_mknod(const char * filename, int mode, int dev)
{
	const char * basename;
	int namelen;
	struct m_inode * dir, * inode;
	struct buffer_head * bh;	/* 用于描述一块磁盘块缓冲区 */
	struct dir_entry * de;		/* 用于描述一个目录项 */
	
	if (!suser())
		return -EPERM;
	if (!(dir = dir_namei(filename,&namelen,&basename))) /* 获取上层目录的inode */
		return -ENOENT;
	if (!namelen) {
		iput(dir); /* 将一个inode从当前目录中移除 */
		return -ENOENT;
	}
	if (!permission(dir,MAY_WRITE)) { /* 检查目录的权限 */
		iput(dir);
		return -EPERM;
	}
	bh = find_entry(&dir,basename,namelen,&de); /* 在目录中查找一个文件 */
	if (bh) { /* 文件名重复 */
		brelse(bh);
		iput(dir);
		return -EEXIST;
	}
	inode = new_inode(dir->i_dev); /* 分配一个新的index结构体 */
	if (!inode) {
		iput(dir);
		return -ENOSPC;
	}
	inode->i_mode = mode;
	if(S_ISBLK(mode) || S_ISCHR(mode) || S_ISPROC(mode))
		inode->i_zone[0] = dev;
	inode->i_mtime = inode->i_atime = CURRENT_TIME;
	inode->i_dirt = 1;
	bh = add_entry(dir,basename,namelen,&de); /* 添加一个新目录项 */
	if (!bh) {
		iput(dir);
		inode->i_nlinks=0;
		iput(inode);
		return -ENOSPC;
	}
	de->inode = inode->i_num;
	bh->b_dirt = 1;
	iput(dir);
	iput(inode);
	brelse(bh);
	return 0;
}

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count)
{
	struct file * file;
	struct m_inode * inode;

	if (fd>=NR_OPEN || count<0 || !(file=current->filp[fd]))
		return -EINVAL;
	if (!count)
		return 0;
	verify_area(buf,count);
	inode = file->f_inode;
	if (inode->i_pipe) /* 处理管道 */
		return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
	if (S_ISPROC(inode->i_mode)) /* 处理proc文件 */
		return proc_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
	if (S_ISCHR(inode->i_mode)) /* 处理字符设备 */
		return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
	if (S_ISBLK(inode->i_mode)) /* 处理块设备 */
		return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
	if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) { /* 处理目录和普通文件 */
		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);
	return -EINVAL;
}

然后我们需要在根文件系统加载后创建 /proc 目录以及其中的 psinfo hdinfo 文件：

setup((void *) &drive_info); /* 挂载根文件系统 */
(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0); /* 创建stdin */
(void) dup(0); /* 创建stdout */
(void) dup(0); /* 创建stderr */
mkdir("/proc",0755);
mknod("/proc/psinfo",S_IFPROC|0444,0);
mknod("/proc/hdinfo",S_IFPROC|0444,1);
printf("%d buffers = %d bytes buffer space\n\r",NR_BUFFERS,
	NR_BUFFERS*BLOCK_SIZE);

最后的实验操作就是实现 proc_read 函数（新建 fs/proc.c 文件）：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <asm/segment.h>
#include <linux/fs.h>
#include <stdarg.h>
#include <unistd.h>

#define set_bit(bitnr, addr) ({ \
register int __res ; \
__asm__("bt %2,%3;setb %%al":"=a" (__res):"a" (0),"r" (bitnr),"m" (*(addr))); \
__res; })

char proc_buf[4096] = {'\0'};

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 get_psinfo() {
	int read = 0;
	read += sprintf(proc_buf + read, "%s", "pid\tstate\tfather\tcounter\tstart_time\n");
	struct task_struct **p;
	for (p = &FIRST_TASK; p <= &LAST_TASK; ++p) /* 遍历task[NR_TASKS] */
		if (*p != NULL){
			read += sprintf(proc_buf + read, "%d\t", (*p)->pid);
			read += sprintf(proc_buf + read, "%d\t", (*p)->state);
			read += sprintf(proc_buf + read, "%d\t", (*p)->father);
			read += sprintf(proc_buf + read, "%d\t", (*p)->counter);
			read += sprintf(proc_buf + read, "%d\n", (*p)->start_time);
		}
	return read;
}

int get_hdinfo() {
	int read = 0;
	int i, used;
	struct super_block *sb;
	sb = get_super(0x301); /* 磁盘设备号:3*256+1 */
	read += sprintf(proc_buf + read, "Total blocks:%d\n", sb->s_nzones);
	used = 0;
	i = sb->s_nzones;
	while (--i >= 0){
		if (set_bit(i & 8191, sb->s_zmap[i >> 13]->b_data))
			used++;
	}
	read += sprintf(proc_buf + read, "Used blocks:%d\n", used);
	read += sprintf(proc_buf + read, "Free blocks:%d\n", sb->s_nzones - used);
	read += sprintf(proc_buf + read, "Total inodes:%d\n", sb->s_ninodes);
	used = 0;
	i = sb->s_ninodes + 1;
	while (--i >= 0){
		if (set_bit(i & 8191, sb->s_imap[i >> 13]->b_data))
			used++;
	}
	read += sprintf(proc_buf + read, "Used inodes:%d\n", used);
	read += sprintf(proc_buf + read, "Free inodes:%d\n", sb->s_ninodes - used);
	return read;
}

int proc_read(int dev, unsigned long *pos, char *buf, int count){
	int i;
	if (*pos % 1024 == 0){
		if (dev == 0)
			get_psinfo();
		if (dev == 1)
			get_hdinfo();
	}
	for (i = 0; i < count; i++){
		if (proc_buf[i + *pos] == '\0')
			break;
		put_fs_byte(proc_buf[i + *pos], buf + i + *pos);
	}
	*pos += i;
	return i;
}

最后修改 fs/makefile：

OBJS=	open.o read_write.o inode.o file_table.o buffer.o super.o \
	block_dev.o char_dev.o file_dev.o stat.o exec.o pipe.o namei.o \
	bitmap.o fcntl.o ioctl.o truncate.o proc.o
	
	......

proc.o: proc.c ../include/string.h ../include/linux/sched.h \
  ../include/linux/head.h ../include/linux/fs.h ../include/sys/types.h \
  ../include/linux/mm.h ../include/signal.h ../include/linux/kernel.h

效果如下：