操作系统实验08-proc文件系统的实现

实验内容

/proc文件系统是了解系统信息的一个窗口，它不是普通意义上的文件系统，它是一个到运行中进程地址空间的访问接口。通过/proc，可以用标准Unix系统调用(比如open()、read()、write()等等)访问，就象访问一个普通文件一样。事实上，许多操作系统中的ps命令正是利用/proc来获取进程状态的。因此/proc文件系统是虚拟的文件系统，看似存在的文件实际并没有在硬盘上。其实，/proc是你了解自己系统的一个窗口，它实际存在于内存。
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;

实验步骤

1.修改include/sys/stat.h文件

增加新文件类型，在此文件内新增proc文件的宏定义以及测试宏。

//已有的宏定义
#define S_IFMT 00170000 //文件类型(都是8进制表示)
#define S_IFREG 0100000	//普通文件
#define S_IFCHAR 0020000 //字符设备文件
#define S_ISREG(m)  (((m) & S_IFMT) == S_IFREG) //测试m是否是普通文件
#define S_ISCHAR(m) (((m) & S_IFMT) == S_IFCHAR) //测试m是否是字符设备文件
//proc文件的宏定义/宏函数
#define S_IFPROC 0030000
#define S_ISPROC(m) (((m) & S_IFMT) ==  S_IFPROC) //测试m是否是proc文件

截图如下：

2.修改namei.c文件

文件/proc/psinfo以及/proc/hdinfo索引节点需要通过mknod()系统调用建立，这里需要让它支持新的文件类型。可直接修改fs/namei.c文件中的sys_mknod()函数的一行代码，在其中增加关于proc文件系统的判断:

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

截图如下：

3.修改init/main.c文件

main（）函数在init后直接挂载了根文件系统，挂载之后就可以创建proc文件了，首先创建/proc文件目录，然后再建立该目录下的各个proc文件节点。在建立这些节点和目录时需要调用系统调用mkdir和mknod，因为初始化时在用户态了，所以不能直接调用，必须在初始化代码所在的文件中实现这两个系统调用的用户态接口。修改init/main.c，新增两个系统调用用户接口并接着修改init函数实现对其的调用：

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系统调用*/
_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);

截图如下：

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hdinfo，2对应inodeinfo。
现在可以重新编译运行系统，使用ll /proc可观察到下面的结果：

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sys_open()动任何手脚，唯一要打补丁的，是sys_read()。

4.修改fs/read_write.c文件

为了让proc文件可读，修改fs/read_write.c添加extern，表示proc_read函数是从外部调用的。

/*新增proc_read函数外部调用*/
extern int proc_read(int dev,char* buf,int count,unsigned long *pos);

截图如下：

然后在sys_read函数中仿照其他if语句，加上 S_IFPROC() 的分支，添加proc文件的proc_read()调用：

	if (inode->i_pipe)
		return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
	/*新增proc_read调用*/
	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);

截图如下：

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->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。

5.新增/fs/proc.c文件

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 f_pos 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 f_pos 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。在fs目录下新增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没有sprintf()，该函数是用于输出结果到字符串中的，所以就实现一个，这里是通过vsprintf()实现的。
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;
}

/*
*  参考fs/super.c mount_root()函数
*/
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*/
	/*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);  /*磁盘设备号 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;
}

新增过程截图如下：

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

截图如下：

7.运行验证

重新编译运行linux-0.11

查看psinfo(当前系统进程状态信息)和hdinfo(硬盘信息)的信息，发现符合预期。