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【轉】proc文件系統分析（四）

（六）對proc文件默認操作的分析
現在，我們已經基本清楚了proc文件系統對自己proc_dir_entry結構的管理了。下面我們回過頭來，再看一下在文件注冊函數中的一段代碼：
if (S_ISDIR(dp->mode)) {
if (dp->proc_iops == NULL) {
dp->proc_fops = &proc_dir_operations;
dp->proc_iops = &proc_dir_inode_operations;
}
dir->nlink++;
} else if (S_ISLNK(dp->mode)) {
if (dp->proc_iops == NULL)
dp->proc_iops = &proc_link_inode_operations;
} else if (S_ISREG(dp->mode)) {
if (dp->proc_fops == NULL)
dp->proc_fops = &proc_file_operations;
}
我在前面已經提過，這段代碼根據注冊的proc文件類型的不同，為proc_dir_entry結構設置了不同的操作函數集。也就是說，我們使用封裝的create_proc_entry函數在proc文件系統中注冊文件時，可以不用去管這些操作函數集，因為該結構總是自動地設置了相應的proc_iops和proc_fops操作函數。下面我們就對這些默認的操作進行一個分析，因為這對我們了解proc文件系統和VFS的結構非常重要。
1 對普通文件的操作
我們首先看一下普通proc文件的函數集，根據代碼段：
if (S_ISREG(dp->mode)) {
if (dp->proc_fops == NULL)
dp->proc_fops = &proc_file_operations;
}
我們可以看到，對于普通的proc文件，只設置了文件操作，即proc_file_operations，從這一點上可以看出，對于普通的proc文件，只缺省提供了文件操作，因此，在必要的時候，我們必須手工設置需要的索引節點操作函數集，比如inode_operations中的權限檢查函數permission等等。
對于proc_file_operations，我們可以看到，只實現了三個函數：
static struct file_operations proc_file_operations = {
llseek: proc_file_lseek,
read: proc_file_read,
write: proc_file_write,
};
下面我們簡單的看一下它們實現的功能：
（1）llseek: proc_file_lseek
這個函數，用來實現lseek系統調用，其功能是設置file結構的->f_pos域，因此，根據第三個參數orig的不同，將f_pos設置為相應的值，該函數非常簡單，因此不作過多的介紹。
（2）read: proc_file_read
這個函數是file_operations結構中的成員，在后面我們將看到，在proc_dir_entry結構中實現的file_operations和inode_operations將鏈接至VFS的inode中，因此，該函數將用來實現read系統調用。在這個函數中，首先根據file結構，得到相應的inode，然后由
struct proc_dir_entry * dp;
dp = (struct proc_dir_entry *) inode->u.generic_ip;
而得到proc_dir_entry結構，然后，開始調用該proc_dir_entry結構中的函數，向用戶空間返回指定大小的數據，我們看一下下面的代碼片斷：
if (dp->get_info) {
/*
* Handle backwards compatibility with the old net
* routines.
*/
n = dp->get_info(page, &start, *ppos, count);
if (n read_proc) {
n = dp->read_proc(page, &start, *ppos,
count, &eof, dp->data);
} else
break;
由此我們看出，該函數的實現依賴于proc_dir_entry結構中的get_info和read_proc函數，因此，如果我們要注冊自己的proc文件，在不設置自己的proc_fops操作函數集的時候，必須實現上面兩個函數中的一個，否則，這個缺省的proc_file_read函數將做不了任何工作。示意圖如下：
在這個函數中，實現了從內核空間向用戶空間傳遞數據的功能，其中使用了許多技巧，在這里就不作討論了，具體實現可以參考源碼。
（3）write: proc_file_write
與上面的函數類似，我們可以看到proc_file_write函數同樣依賴于proc_dir_entry中的write_proc(file, buffer, count, dp->data)函數，它的實現非常簡單：
static ssize_t
proc_file_write(struct file * file, const char * buffer,
size_t count, loff_t *ppos)
{
struct inode *inode = file->f_dentry->d_inode;
struct proc_dir_entry * dp;
dp = (struct proc_dir_entry *) inode->u.generic_ip;
if (!dp->write_proc)
return -EIO;
/* FIXME: does this routine need ppos? probably... */
return dp->write_proc(file, buffer, count, dp->data);
}
我們看到，它只是簡單地檢測了->write_proc函數是否存在，如果我們在proc_dir_entry結構中實現了這個函數，那么就調用它，否則，就退出。
根據上面的討論，我們看到，對于普通文件的操作函數，proc文件系統為我們提供了一個簡單的封裝，因此，我們只要在proc_dir_entry中實現相關的讀寫操作即可。
但是，如果我們想提供讀寫操作之外的函數，那么我們就可以定義自己的file_operations函數集，并且在proc文件注冊后，將它鏈接到proc_dir_entry的proc_fops上，這樣，就可以使用自己的函數集了。
2 對鏈接文件的操作
根據代碼段：
else if (S_ISLNK(dp->mode)) {
if (dp->proc_iops == NULL)
dp->proc_iops = &proc_link_inode_operations;
我們可以看出，對于鏈接文件，proc文件系統為它設置了索引節點操作proc_iops。因為我們知道，一個符號鏈接，只擁有inode結構，而沒有文件結構，所以，為它提供proc_link_inode_operations函數集就可以了。
下面我們看一下，這個函數集的內容：
static struct inode_operations proc_link_inode_operations = {
readlink: proc_readlink,
follow_link: proc_follow_link,
};
這個函數集實現了和鏈接相關的兩個函數，我們分別來看一下：
（1）readlink: proc_readlink
該函數用來實現readlink系統調用，它的功能是獲得目標文件的文件名，我們在前面看到，對于一個鏈接文件，在注冊時已經將鏈接目標的文件放在了proc_dir_entry結構的->data域中（參考前面介紹的函數proc_symlink），因此，我們只要將->data中的數據返回就可以了，它的代碼如下：
static int proc_readlink(struct dentry *dentry, char *buffer, int buflen)
{
char *s=
((struct proc_dir_entry *)dentry->d_inode->u.generic_ip)->data;
return vfs_readlink(dentry, buffer, buflen, s);
}
我們看到，這個函數使用一個指針指向->data，然后，使用VFS函數vfs_readlink將數據返回到用戶空間，非常的簡單。
（2）follow_link: proc_follow_link
這個函數代碼如下：
static int proc_follow_link(struct dentry *dentry, struct nameidata *nd)
{
char *s=
((struct proc_dir_entry *)dentry->d_inode->u.generic_ip)->data;
return vfs_follow_link(nd, s);
}
和上面介紹的函數類似，它同樣利用VFS的函數實現其功能，對于vfs_follow_link，可以參考fs/namei.c文件。其結構如下圖所示：
3 對目錄文件的操作
最后我們看一下proc文件系統對目錄文件的操作函數集，在文件注冊的時候，有如下代碼：
if (S_ISDIR(dp->mode)) {
if (dp->proc_iops == NULL) {
dp->proc_fops = &proc_dir_operations;
dp->proc_iops = &proc_dir_inode_operations;
}
dir->nlink++;
}
從中我們可以看到，在proc文件系統中注冊目錄文件的時候，它會檢查是否該proc_dir_entry結構已經注冊了proc_iops函數集，如果沒有，那么就為proc_fops和proc_iops設置相應的缺省函數集。下面我們對它們分別進行討論：
1．對目錄的文件操作proc_dir_operations：
static struct file_operations proc_dir_operations = {
read: generic_read_dir,
readdir: proc_readdir,
};
這個函數集的主要功能，是在由proc_dir_entry結構構成的proc文件樹中解析目錄。下面我們對這兩個函數進行一個簡單的分析：
（1）read: generic_read_dir
我們知道，對于read系統調用，當其參數文件句柄指向目錄的時候，將返回EISDIR錯誤。因此，目錄文件的read函數將完成這個工作。generic_read_dir函數是VFS提供的通用函數，可以參考fs/read_write.c文件：
ssize_t generic_read_dir(struct file *filp, char *buf, size_t siz, loff_t *ppos){
return –EISDIR;
}
這個函數很簡單，只要返回錯誤碼就可以了。
（2）readdir: proc_readdir
這個函數用來實現readdir系統調用，它從目錄文件中讀出dirent結構到內存中。我們可以參考fs/readdir.c中的filldir()函數。
2．對目錄文件索引節點的操作函數：proc_dir_inode_operations
首先，我們看一下proc_dir_inode_operations的定義：
/*
* proc directories can do almost nothing..
*/
static struct inode_operations proc_dir_inode_operations = {
lookup: proc_lookup,
};
我們看到，對于目錄文件的索引節點，只定義了一個函數lookup。因為我們在前面對VFS進行分析的時候知道，以下操作，是只在目錄節點中定義的：
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int);
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *);
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,int,int);
int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
struct inode *, struct dentry *);
但是經過我們對proc文件系統的分析，我們知道，proc文件系統中的文件都是在內核代碼中通過proc_dir_entry實現的，因此，它不提供目錄索引節點的create，link，unlink，symlink，mkdir，rmdir，mknod，rename方法，也就是說，用戶是不能通過shell命令在/proc目錄中對proc文件進行改名，刪除，建子目錄等操作的。這也算是proc文件系統的一種保護策略。
而在內核中，則使用proc_mkdir，proc_mknod等函數，在核心內通過代碼來維護proc文件樹。由此可以看出虛擬文件系統的一些特性。對目錄文件的默認操作，可以參見下面的示意圖：
下面我們就來看一下唯一定義的函數lookup: proc_lookup，到底實現了什么功能。
在進行具體分析之前，我們先考慮一個問題，我們知道，proc文件系統維護了自己的proc_dir_entry結構，因此提供了create_proc_entry，remove_proc_entry等等函數，并且為了方便實現對proc文件的讀寫功能，特意在proc_dir_entry結構中設置了get_info，read_proc和write_proc函數指針（我們在前面介紹過，這三個函數被封裝在proc_file_operations中），并且，提供了自己的inode_operations和file_operations，分別是proc_iops 和proc_fops。也就是說，我們在建立proc文件以及為proc文件建立操作函數的時候，似乎可以不用考慮VFS的實現，只要建立并注冊該proc_dir_entry結構，然后實現其proc_iops 和proc_fops（或者get_info，read_proc和write_proc）就可以了。
但是我們知道，在linux系統中，所有的子系統都是與VFS層交互，而VFS是通過inode結構進行管理的，并且在其上的操作（文件和索引節點的操作）也是通過該inode結構的inode_operations和file_operations實現的。因此，proc文件系統必須將自己的文件與VFS的inode鏈接起來。
那么proc文件系統是在何時，通過何種方法將自己的proc_dir_entry結構和VFS的inode聯系在一起的，并且將對inode的inode_operations和file_operations操作定位到自己結構中的proc_iops 和proc_fops上呢？通過我們對lookup: proc_lookup的分析，就會明白這一過程。
我們先看一下它的代碼：
struct dentry *proc_lookup(struct inode * dir, struct dentry *dentry)
{
struct inode *inode;
struct proc_dir_entry * de;
int error;
error = -ENOENT;
inode = NULL;
de = (struct proc_dir_entry *) dir->u.generic_ip;
if (de) {
for (de = de->subdir; de ; de = de->next) {
if (!de || !de->low_ino)
continue;
if (de->namelen != dentry->d_name.len)
continue;
if (!memcmp(dentry->d_name.name,
de->name, de->namelen)) {
int ino = de->low_ino;
error = -EINVAL;
inode = proc_get_inode(dir->i_sb, ino, de);
break;
}
}
}
if (inode) {
dentry->d_op = &proc_dentry_operations;
d_add(dentry, inode);
return NULL;
}
return ERR_PTR(error);
}
這個函數的參數是struct inode * dir和struct dentry *dentry，它的功能是查找由dentry指定的文件，是否在由dir指定的目錄中。
我們知道，proc文件系統通過proc_dir_entry結構維護文件信息，并且該結構與相應的inode->u.generic_ip聯系，因此，這個函數首先通過struct inode * dir得到了相應目錄文件的proc_dir_entry結構，并使用指針de指向它，然后，開始在該結構的孩子中查找指定的dentry。
判斷是否找到的條件很簡單，就是de->namelen等于 dentry->d_name.len，并且dentry->d_name.name等于de->name，根據程序流程，如果沒有找到，那么將返回-ENOENT錯誤（使用inode指針作為判斷條件），如果找到該文件，那么就根據ino = de->low_ino（要注意的是，這時候的de已經指向由dentry確定的proc_dir_entry結構了。）調用函數：
inode = proc_get_inode(dir->i_sb, ino, de);
這個proc_get_inode的功能很容易猜到，就是從由超級塊i_sb確定的文件系統中，得到索引節點號為ino的inode。因此考慮兩種情況，第一種情況，這個索引節點已經被讀入緩存了，那么直接返回該inode即可。第二種情況是，指定ino的索引節點不在緩存中，那么就需要調用相應的函數，將該索引節點從邏輯文件系統中讀入inode中。
下面我們就來分析一下proc_get_inode函數，尤其注意上面所說的第二種情況，因為這正是inode和proc_dir_entry建立聯系并重定位操作函數集的時機。先看一下源碼：
struct inode * proc_get_inode(struct super_block * sb, int ino,
struct proc_dir_entry * de)
{
struct inode * inode;
/*
* Increment the use count so the dir entry can't disappear.
*/
de_get(de);
#if 1
/* shouldn't ever happen */
if (de && de->deleted)
printk("proc_iget: using deleted entry %s, count=%d\n", de->name, atomic_read(&de->count));
#endif
inode = iget(sb, ino);
if (!inode)
goto out_fail;
inode->u.generic_ip = (void *) de; /* link the proc_dir_entry to inode */
/*
* set up other fields in the inode
*/
if (de) {
if (de->mode) {
inode->i_mode = de->mode;
inode->i_uid = de->uid;
inode->i_gid = de->gid;
}
if (de->size)
inode->i_size = de->size;
if (de->nlink)
inode->i_nlink = de->nlink;
if (de->owner)
__MOD_INC_USE_COUNT(de->owner);
if (S_ISBLK(de->mode)||S_ISCHR(de->mode)||S_ISFIFO(de->mode))
init_special_inode(inode,de->mode,kdev_t_to_nr(de->rdev));
else {
if (de->proc_iops)
inode->i_op = de->proc_iops;
if (de->proc_fops)
inode->i_fop = de->proc_fops;
}
}
out:
return inode;
out_fail:
de_put(de);
goto out;
}
我們根據程序流程，分析它的功能：
1．使用de_get(de)增加proc_dir_entry結構de的引用計數。
2．使用VFS的iget(sb, ino)函數，從sb指定的文件系統中得到節點號為ino的索引節點，并使用指針inode指向它。如果沒有得到，則直接跳到標號out_fail，減少de的引用計數后退出。
因此我們要了解一下iget，這個函數由VFS提供，可以參考源文件fs/inode.c和頭文件include/linux/fs.h，在fs.h頭文件中，有如下定義：
static inline struct inode *iget(struct super_block *sb, unsigned long ino)
{
return iget4(sb, ino, NULL, NULL);
}
因此該函數是由fs/inode.c中的iget4實現的。主要步驟是，首先根據sb和ino得到要查找的索引節點的哈希鏈表，然后調用find_inode函數在該鏈表中查找該索引節點。如果找到了，那么就增加該索引節點的引用計數，并將其返回；否則，調用get_new_inode函數，以便從邏輯文件系統中讀出該索引節點。
而get_new_inode函數也很簡單，它分配一個inode結構，并試圖重新查找指定的索引節點，如果還是沒有找到，那么就給新分配的索引節點加入到哈希鏈表和使用鏈表中，并設置一些基本信息，如i_ino，i_sb，i_dev等，并且，將其引用計數i_count初始化為1。然后，調用超級塊sb的read_inode函數，來作邏輯文件系統自己特定的工作，但對于proc文件系統來說，read_inode函數基本沒有實質性的功能，可參考前文對該函數的分析。最后，返回這個新建的索引節點。
3．這時，我們已經得到了指定的inode（或者是從緩存中返回，或者是利用get_new_inode函數剛剛創建），那么就使用語句
inode->u.generic_ip = (void *) de;
將proc_dir_entry結構de與相應的索引節點鏈接起來。因此，我們就可以在其他時刻，利用proc文件索引節點的->u.generic_ip得到相應的proc_dir_entry結構了。
對于新創建的inode來說，將其->u.generic_ip域指向(void *) de沒什么問題，因為該域還沒有被賦值，但是如果這個inode是從緩存中得到的，那么，說明該域已經指向了一個proc_dir_entry結構，這樣直接賦值，會不會引起問題呢？
這有兩種情況，第一種情況，它指向的proc_dir_entry結構沒有發生過變化，那么，由于索引節點是由ino確定的，而且在一個文件系統中，確保了索引節點號ino的唯一性，因此，使用inode->u.generic_ip = (void *) de語句對其重新進行賦值，不會發生任何問題。
另一種情況是在這之前，程序曾調用remove_proc_entry要將該proc_dir_entry結構刪除，那么由于它的引用計數count不等于零，因此，該結構不會被釋放，而只是打上了刪除標記。所以這種情況下，該賦值語句也不會引起問題。
我們知道，當inode的i_count變為0的時候，會調用sb的proc_delete_inode函數，這個函數將inode的i_state設置為I_CLEAR，這可以理解為將該inode刪除了，并調用de_put，減少并檢查proc_dir_entry的引用計數，如果到零，也將其釋放。因此我們看到，引用計數的機制使得VFS的inode結構和proc的proc_dir_entry結構能夠保持同步，也就是說，對于一個存在于緩存中的的inode，必有一個proc_dir_entry結構存在。
4．這時，我們已經得到了inode結構，并且將相應的proc_dir_entry結構de與inode鏈接在了一起。因此，就可以根據de的信息，對inode的一些域進行填充了。其中最重要的是使用語句：
if (de->proc_iops)
inode->i_op = de->proc_iops;
if (de->proc_fops)
inode->i_fop = de->proc_fops;
將inode的操作函數集重定向到proc_dir_entry結構提供的函數集上。這是因為我們可以通過proc_dir_entry結構進行方便的設置和調整，但最終要將文件提交至VFS進行管理。正是在這種思想下，proc文件系統提供提供了一套封裝函數，使得我們可以只對proc_dir_entry結構進行操作，而忽略與VFS的inode的聯系。
5．最后，成功地返回所要的inode結構。
（七）小結
至此，已經對proc文件系統進行了一個粗略的分析，從文件系統的注冊，到proc_dir_entry結構的管理，以及與VFS的聯系等等。下面我們對proc文件系統的整體結構作一個總結。
proc文件系統使用VFS接口，注冊自己的文件類型，并且通過注冊時提供的proc_read_super函數，創建自己的超級塊，然后裝載vfsmount結構。在proc文件系統內部，則使用proc_dir_entry結構來維護自己的文件樹，并且通過目錄文件的lookup函數，將proc_dir_entry結構與VFS的inode結構建立聯系。

本文來自ChinaUnix博客，如果查看原文請點：http://blog.chinaunix.net/u2/74524/showart_1129842.html

posted on 2010-06-23 06:10 小默閱讀(574) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: Linux

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