操作系統實驗08-proc文件系統的實現

實驗內容

/proc文件系統是了解系統信息的一個窗口，它不是普通意義上的文件系統，它是一個到運行中進程地址空間的訪問接口。通過/proc，可以用標准Unix系統調用(比如open()、read()、write()等等)訪問，就象訪問一個普通文件一樣。事實上，許多操作系統中的ps命令正是利用/proc來獲取進程狀態的。因此/proc文件系統是虛擬的文件系統，看似存在的文件實際並沒有在硬盤上。其實，/proc是你了解自己系統的一個窗口，它實際存在於內存。
在 Linux 0.11上實現 procfs（proc 文件系統）內的psinfo結點。當讀取此結點的內容時，可得到系統當前所有進程的狀態信息。例如，用 cat命令顯示 /proc/psinfo 的內容，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;

實驗步驟

1.修改include/sys/stat.h文件

增加新文件類型，在此文件內新增proc文件的宏定義以及測試宏。

//已有的宏定義
#define S_IFMT 00170000 //文件類型(都是8進制表示)
#define S_IFREG 0100000	//普通文件
#define S_IFCHAR 0020000 //字符設備文件
#define S_ISREG(m)  (((m) & S_IFMT) == S_IFREG) //測試m是否是普通文件
#define S_ISCHAR(m) (((m) & S_IFMT) == S_IFCHAR) //測試m是否是字符設備文件
//proc文件的宏定義/宏函數
#define S_IFPROC 0030000
#define S_ISPROC(m) (((m) & S_IFMT) ==  S_IFPROC) //測試m是否是proc文件

截圖如下：

2.修改namei.c文件

文件/proc/psinfo以及/proc/hdinfo索引節點需要通過mknod()系統調用建立，這里需要讓它支持新的文件類型。可直接修改fs/namei.c文件中的sys_mknod()函數的一行代碼，在其中增加關於proc文件系統的判斷:

if (S_ISBLK(mode) || S_ISCHR(mode) || S_ISPROC(mode))
     inode->i_zone[0] = dev;
// 文件系統初始化
inode->i_mtime = inode->i_atime = CURRENT_TIME;
inode->i_dirt = 1;
bh = add_entry(dir,basename,namelen,&de);

截圖如下：

3.修改init/main.c文件

main（）函數在init后直接掛載了根文件系統，掛載之后就可以創建proc文件了，首先創建/proc文件目錄，然后再建立該目錄下的各個proc文件節點。在建立這些節點和目錄時需要調用系統調用mkdir和mknod，因為初始化時在用戶態了，所以不能直接調用，必須在初始化代碼所在的文件中實現這兩個系統調用的用戶態接口。修改init/main.c，新增兩個系統調用用戶接口並接着修改init函數實現對其的調用：

static inline _syscall0(int,fork)
static inline _syscall0(int,pause)
static inline _syscall1(int,setup,void *,BIOS)
static inline _syscall0(int,sync)
/*新增mkdir和mknode系統調用*/
_syscall2(int,mkdir,const char*,name,mode_t,mode)
_syscall3(int,mknod,const char *,filename,mode_t,mode,dev_t,dev)
    
//.......   
    
	setup((void *) &drive_info);
	(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
	(void) dup(0);
	(void) dup(0);
	mkdir("/proc",0755);
	mknod("/proc/psinfo",S_IFPROC|0444,0);
	mknod("/proc/hdinfo",S_IFPROC|0444,1);
	mknod("/proc/inodeinfo",S_IFPROC|0444,2);

截圖如下：

mkdir()時mode參數的值可以是“0755”（rwxr-xr-x），表示只允許root用戶改寫此目錄，其它人只能進入和讀取此目錄。
procfs是一個只讀文件系統，所以用mknod()建立psinfo結點時，必須通過mode參數將其設為只讀。建議使用S_IFPROC|0444做為mode值，表示這是一個proc文件，權限為0444（r--r--r--），對所有用戶只讀。
mknod()的第三個參數dev用來說明結點所代表的設備編號。對於procfs來說，此編號可以完全自定義。proc文件的處理函數將通過這個編號決定對應文件包含的信息是什么。例如，可以把0對應psinfo，1對應hdinfo，2對應inodeinfo。
現在可以重新編譯運行系統，使用ll /proc可觀察到下面的結果：

這些信息說明內核在對 psinfo 進行讀操作時不能正確處理，向 cat 返回了 EINVAL 錯誤。因為還沒有實現處理函數，所以這是很正常的。這些信息至少說明，psinfo被正確open()了。所以我們不需要對sys_open()動任何手腳，唯一要打補丁的，是sys_read()。

4.修改fs/read_write.c文件

為了讓proc文件可讀，修改fs/read_write.c添加extern，表示proc_read函數是從外部調用的。

/*新增proc_read函數外部調用*/
extern int proc_read(int dev,char* buf,int count,unsigned long *pos);

截圖如下：

然后在sys_read函數中仿照其他if語句，加上 S_IFPROC() 的分支，添加proc文件的proc_read()調用：

	if (inode->i_pipe)
		return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
	/*新增proc_read調用*/
	if (S_ISPROC(inode->i_mode))
		return proc_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
	if (S_ISCHR(inode->i_mode))
		return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);

截圖如下：

需要傳給處理函數的參數包括：

• inode->i_zone[0]，這就是 mknod() 時指定的 dev ——設備編號
• buf，指向用戶空間，就是 read() 的第二個參數，用來接收數據
• count，就是 read() 的第三個參數，說明 buf 指向的緩沖區大小
• &file->f_pos，f_pos 是上一次讀文件結束時“文件位置指針”的指向。這里必須傳指針，因為處理函數需要根據傳給 buf 的數據量修改 f_pos 的值。

5.新增/fs/proc.c文件

proc文件的處理函數的功能是根據設備編號，把不同的內容寫入到用戶空間的buf。寫入的數據要從 f_pos 指向的位置開始，每次最多寫count個字節，並根據實際寫入的字節數調整 f_pos 的值，最后返回實際寫入的字節數。當設備編號表明要讀的是psinfo的內容時，就要按照 psinfo 的形式組織數據。在fs目錄下新增proc.c文件，文件信息如下：

#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);

//Linux0.11沒有sprintf()，該函數是用於輸出結果到字符串中的，所以就實現一個，這里是通過vsprintf()實現的。
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)
 	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;
}

/*
*  參考fs/super.c mount_root()函數
*/
int get_hdinfo()
{
	int read = 0;
	int i,used;
	struct super_block * sb;
	sb=get_super(0x301);  /*磁盤設備號 3*256+1*/
	/*Blocks信息*/
	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);
	/*Inodes 信息*/
	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 get_inodeinfo()
{
	int read = 0;
	int i;
	struct super_block * sb;
	struct m_inode *mi;
	sb=get_super(0x301);  /*磁盤設備號 3*256+1*/
	i=sb->s_ninodes+1;
	i=0;
	while(++i < sb->s_ninodes+1)
	{
		if(set_bit(i&8191,sb->s_imap[i>>13]->b_data))
		{
			mi = iget(0x301,i);
			read += sprintf(proc_buf+read,"inr:%d;zone[0]:%d\n",mi->i_num,mi->i_zone[0]);
			iput(mi);
		}
		if(read >= 4000) 
		{
			break;
		}
	}
 	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();
		if(dev == 2)
			get_inodeinfo();
	}
 	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;
}

新增過程截圖如下：

6.修改fs/Makefile文件

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
//......
### Dependencies:
proc.o : proc.c ../include/linux/kernel.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/asm/segment.h

截圖如下：

7.運行驗證

重新編譯運行linux-0.11

查看psinfo(當前系統進程狀態信息)和hdinfo(硬盤信息)的信息，發現符合預期。