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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Linux0.11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，例如，用cat命令显示/proc/procfo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及其节点要在内核启动时自动创建，相关功能的实现放在fs/proc.c文件。
实验过程
- 第一步: 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:
//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
- 第二步: 让
mknod()支持新的文件类型，文件/proc/psinfo以及/proc/hdinfo索引节点需要通过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()函数的代码，在其中增加关于proc文件系统的判断:
if(S_ISBLK(mode) || S_ISCHAR(mode) || S_ISPROC(mode))
inode->izone[0] = dev;
- 第三步: 进程
proc文件初始化，可以在系统启动时就建立那些proc文件系统(根目录/proc)下的proc文件(其下的子文件/proc/psinfo、/proc/hdinfo)，通常Linux操作系统也都是在系统启动以后就直接创建那些proc文件的，显然要修改系统启动时的调用的main()，因为是要创建文件，所以当然应该在文件系统已经挂载以后才可以操作，在main()的最后会从内核态切换到用户态，并调用init()，而init()要做的第一件事就是挂载根文件系统：
void init(void)
{
setup((void *) &drive_info);
}
显然在执行setup((void *) &drive_info)的时候，也就是根文件系统挂载以后就可以创建proc文件了，首先建立/proc目录，然后再建立该目录下的各个proc文件节点，建立目录用mkdir()，建立文件用mknod()。
现在可以调用mkdir()来创建proc目录，调用mknod()来创建proc目录下的各个proc文件节点了。
内核初始化的全部工作是在main()中完成，而/init/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：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
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sys_mkdir()和sys_mknod()。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：
_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hdinfo，2对应inodeinfo。
上述步骤完成以后，就可以使用make all编译内核，然后./run运行内核，使用ll /proc可以看到:
inode->i_mode就是通过mknod()设置的mode。信息中的XXX和你设置的S_IFPROC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。
注意：博主在此没截使用cat命令的图片，但是就是这个么道理，嘻嘻。
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()。
- 第四步: 让
proc文件(psinfo、hdinfo、inodeinfo)可读open()没有问题，那么需要修改的就是sys_read()了。
首先在fs/read_write.c中添加extern，表示proc_read函数是从外部调用的。
在.c文件中要引入另一个文件，而且是另一个.c文件的全局变量或者函数，就需要用extern来说明一下。
然后仿照其他if语句，添加proc文件的proc_read()调用。
- 第五步: 实现上述的
proc_read()函数，用于读取proc文件内容，实现在fs/proc.c文件下。
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/segment.h>
#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>
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 proc_read(int dev, char * buf, int count, unsigned long * pos){
struct task_struct ** p;
int output_count=0;
char * proc_buf=NULL;
int file_size=0;
int offset=*pos;
struct super_block * sb;
struct buffer_head * bh;
int total_blocks, total_inodes;
int used_blocks=0, free_blocks=0;
int i,j,k;
char * db=NULL;
//硬盘总共有多少块(空闲 + 非空闲)，有多少inode索引节点等信息都放在super块中。
sb=get_super(current->root->i_dev);
total_blocks = sb->s_nzones;
total_inodes=sb->s_ninodes;
s_imap_blocks = sb->s_imap_blocks;
s_zmap_blocks = sb->s_zmap_blocks;
//psinfo: 对应的就是输出系统此时的全部进程的状态信息
if(dev==0)
{
proc_buf=(char *)malloc(sizeof(char *)*1024);
file_size=sprintf(proc_buf,"pid\tstate\tfather\tcounter\tstart_time\n");
//这里借鉴了，进程切换函数schedule()的代码，也就是遍历系统全部的进程。
for(p = &LAST_TASK ; p >= &FIRST_TASK ; --p)
if(*p)
file_size+=sprintf(proc_buf+file_size,"%d\t%d\t%d\t%d\t%d\n",(*p)->pid,(*p)->state,(*p)->father,(*p)->counter,(*p)->start_time);
*(proc_buf+file_size)='\0';
}
//hdinfo: 打印出硬盘的一些信息，
//s_imap_blocks、ns_zmap_blocks、
//total_blocks、free_blocks、used_blocks、total_inodes
if(dev==1)
{
for(i=0;i<sb->s_zmap_blocks;i++)
{
bh=sb->s_zmap[i];
db=(char*)bh->b_data;
for(j=0;j<1024;j++){
for(k=1;k<=8;k++){
if((used_blocks+free_blocks)>=total_blocks)
break;
if( *(db+j) & k)
used_blocks++;
else
free_blocks++;
}
}
}
proc_buf=(char*)malloc(sizeof(char*)*512);
file_size=sprintf(proc_buf,"s_imap_blocks:%d\ns_zmap_blocks:%d\n",s_imap_blocks,s_zmap_blocks);
file_size+=sprintf(proc_buf+file_size,"total_blocks:%d\nfree_blcoks:%d\nused_blocks:%d\ntotal_indoes:%d\n",total_blocks,free_blocks,used_blocks,total_inodes);
}
//将proc_buf缓冲区的内容放入文件
while(count>0)
if(offset>file_size)
break;
put_fs_byte(*(proc_buf+offset),buf++);
offset++;
output_count++;
count--;
}
//重置文件的pos位置，也就是指向文件末尾的指针
(*pos)+=output_count;
free(proc_buf);
return output_count;
}
由于添加了一个文件proc.c，所以需要改下fs/Makefile，
上述的代码，是用的这位同学的，在此表示感谢！
(但是我搞不清为什么是proc_dev，添加的文件不是proc.c吗，如果有人可以解答，可以评论下。)
然后make all编译内核，./run运行内核，输出cat命令，即可查看psinfo(当前系统进程状态信息)和hdinfo(硬盘信息)的信息。
实验问题
- 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？
我会实现meminfo、cpuinfo这些节点，分别对应的信息是系统内存信息和cpu的信息，原因是
我只知道这两个名词了
- 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？
我认为后几次read()传递给用户的数据应该是变化前的，因为读完一部分数据之后，之前读取的进程状态信息可能已经发生了改变了，那么读给proc_buf缓冲区的内容还是读之前的，所以可能会导致读到的数据出现混乱(数据不正确?)，要使得数据读的正确、不混乱，就要在读的时候让想要变化的进程先等待，等读完了数据放到了文件中以后，再唤醒要更新的进程。
注:我的答案很可能不准确，请别被我误导了。
HIT-OS-LAB参考资料:
1.《操作系统原理、实现与实践》-李治军、刘宏伟 编著
2.《Linux内核完全注释》
3.两个哈工大同学的实验源码
4.Linux-0.11源代码
(上述资料，如果有需要的话，请主动联系我))