Linux 3.x 内核中的procfs

简介

procfs文件系统是内核中的一个特殊文件系统。它是一个虚拟文件系统: 它不是实际的存储设备中的文件，而是存在于内存中。procfs中的文件是用来允许用户空间的程序访问内核中的某些信息（比如进程信息在 /proc/[0-9]+/中），或者用来做调试用途（/proc/ksyms，这个文件列出了已经登记的内核符号，这些符号给出了变量或函数的地址。每行给出一个符号的地址，符号名称以及登记这个符号的模块。程序ksyms、insmod和kmod使用这个文件。它还列出了正在运行的任务数，总任务数和最后分配的PID。）

这个文档描述了内核中procfs文件系统的使用。它以介绍所有和管理文件系统相关的函数开始。在函数介绍后，它还展示了怎么和用户空间通信，和一些小技巧。在文档的最后，还给出了一个完整的例子。

注意/proc/sys中的文件属于sysctl文件，它们不属于procfs文件系统，被另外一套完全不同的api管理。

seq_file

procfs在处理大文件时有点笨拙。为了清理procfs文件系统并且使内核编程简单些，引入了seq_file机制。seq_file机制提供了大量简单的接口去实现大内核虚拟文件。

seq_file机制适用于你利用结构序列去创建一个返回给用户空间的虚拟文件。要使用seq_file机制，你必须创建一个”iterator”对象，这个对象指向这个序列，并且能逐个指向这个序列中的对象，此外还要能输出这个序列中的任一个对象。它听起来复杂，实际上，操作过程相当简单。接下来将用实际的例子展示到底怎么做。

首先，你必须包含头文件<linux/seq_file.h>。接下来，你必须创建迭代器方法：start, next, stop, and show。

start方法通常被首先调用。这个方法的函数原型是:

void *start(struct seq_file *sfile, loff_t *pos);

sfile没什么作用，通常被忽略。pos参数是一个整型，表示从哪个位置开始读。关于位置的定义完全取决于函数实现；它不一定要是结果文件中的一个字节位置。 由于seq_file机制通常是利用一个特定的结构序列实现的，所以位置通常是一个指向序列中下一个结构体的指针。在wing驱动中，每一个设备表示序列中的一个结构，所以，入参pos代表g_pstWingDevices数组的索引。因此，在wing驱动中start方法的实现为：

static void *wing_seq_start(struct seq_file *s, loff_t *pos){    if (*pos >= g_iWingDevicesNum)        return NULL; /* No more to read */    return g_pstWingDevices + *pos;}

返回值如果不为NULL，代表一个可以被迭代器使用的私有数据。

next函数应该移动迭代器到下一个位置，如果序列中没有数据，返回NULL。这个方法的函数原型为：

void *next(struct seq_file *sfile, void *v, loff_t *pos);

这里，参数v代表上一个函数调用（可能是start函数，或者是next函数）返回的迭代器，, 参数pos是文件中的当前位置。next函数应该改变pos的指向，具体是逐步改变还是跳跃改变取决于迭代器的工作机制。next函数在wing驱动中的实现为：

static void* wing_seq_next(struct seq_file *s, void *v, loff_t *pos){    (*pos)++;    if (*pos >= g_iWingDevicesNum)        return NULL;    return g_pstWingDevices + *pos;}

当内核停止了迭代器的工作，它调用stop函数清理现场：

void stop(struct seq_file *sfile, void *v);

wing驱动没有清理工作要做，所以stop函数为空。

void wing_seq_stop(struct seq_file *sfile, void *v){}

要是seq_file代码在调用start和stop时不执行睡眠或是非原子的操作，那么这种机制将毫无意义。你要保证从start函数调用到stop函数调用是很短暂的。因此，在开始函数中获得一个信号量或者自旋锁是比较安全的做法。要是seq_file其他方法是原子的，整个调用链必须是原子的。

在这些函数调用中，内核调用call函数向内核空间输出特性的信息。这个函数的函数原型是：

int show(struct seq_file *sfile, void *v);

这个方法应该创建序列中由指示器v指定项的输出。不能使用printk，而是使用以下这些特定函数：

• int seq_printf(struct seq_file *sfile, const char *fmt, ...)
  这个函数是seq_file机制中类似于printf的实现；它使用通常的格式字符串和参数组成输出字符串。你必须把show函数中的seq_file结构体传给这个函数。如果它返回一个非零的值，表示buffer已经填充好，输出被丢出去了。在大多数实现中，都选择忽略返回值。
• int seq_putc(struct seq_file *sfile, char c);
• int seq_puts(struct seq_file *sfile, const char *s);
  这两个函数相当于用户层的putc和puts。
• int seq_escape(struct seq_file *m, const char *s, const char *esc);
  这个函数是 seq_puts 的对等体, 除了 s 中的任何也在 esc 中出现的字符以八进制格式打印. esc 的一个通用值是”\t\n\”, 它使内嵌的空格不会搞乱输出和可能搞乱 shell 脚本.
• int seq_path(struct seq_file *sfile, struct vfsmount *m, struct dentry *dentry, char *esc);
  这个函数能够用来输出和给定命令项关联的文件名子. 它在设备驱动中不可能有用;我们是为了完整在此包含它.

wing设备中的show函数例子:

static int wing_seq_show(struct seq_file *s, void *v){    ST_Wing_Dev_Type* pDev = (ST_Wing_Dev_Type* ) v;    seq_printf(s, "\nThis Device is %i\n", pDev->iData);    return 0;}

在我的例子中，我将一个ST_Wing_Dev_Type结构体表示为迭代器。

上面就是完整的迭代器操作，wing驱动必须将它们打包到一起好连接到procfs文件系统。首先要做的就是利用它们组成一个seq_operations结构体：

static struct seq_operations s_stWingSeqOps = {    .start = wing_seq_start,    .next = wing_seq_next,    .stop = wing_seq_stop,    .show = wing_seq_show};

有了这个结构，我们必须创建一个内核能理解的文件实现。我们不使用前面说过的read_proc方法；在使用seq_file时, 最好在一个稍低的级别上连接到procfs。这意味着创建一个file_operations(和字符设备一样的结构)，这个结构实现了内核对文件的reads和seeks操作。幸运的是，这个操做很简单。首先创建一个把文件和seq_file方法联接起来的open方法：

static int wing_proc_open(struct inode *inode, struct file *file){    return seq_open(file, &s_stWingSeqOps);}

调用seq_open函数的时候将文件和上面定义的序列操作关联到一起。open是唯一要我们实现的函数接口，所以我们的file_operations结构体是：

static struct file_operations s_stWingProcFops = {    .owner = THIS_MODULE,    .open = wing_proc_open,    .read = seq_read,    .llseek = seq_lseek,    .release = seq_release};

最后我们要在procfs文件系统中创建文件：

proc_create("wingdevices", 0644, NULL, &s_stWingProcFops);

关键结构体

struct proc_dir_entry代表的是/proc目录下的一个目录或者文件，他是procfs文件系统的主要结构体，它的定义在/fs/internal.h中：

/* * This is not completely implemented yet. The idea is to * create an in-memory tree (like the actual /proc filesystem * tree) of these proc_dir_entries, so that we can dynamically * add new files to /proc. * * The "next" pointer creates a linked list of one /proc directory, * while parent/subdir create the directory structure (every * /proc file has a parent, but "subdir" is NULL for all * non-directory entries). */struct proc_dir_entry {    unsigned int low_ino;    umode_t mode;    nlink_t nlink;    kuid_t uid;    kgid_t gid;    loff_t size;    const struct inode_operations *proc_iops;    const struct file_operations *proc_fops;    struct proc_dir_entry *next, *parent, *subdir;    void *data;    atomic_t count;     /* use count */    atomic_t in_use;    /* number of callers into module in progress; */            /* negative -> it's going away RSN */    struct completion *pde_unload_completion;    struct list_head pde_openers;   /* who did ->open, but not ->release */    spinlock_t pde_unload_lock; /* proc_fops checks and pde_users bumps */    u8 namelen;    char name[];};

主要接口

procfs应该包含的头文件<linux/proc_fs.h>。

在3.x内核中procfs主要接口有：

• proc_symlink
• proc_mkdir
• proc_mkdir_data
• proc_mkdir_mode
• proc_create_data
• proc_create
• proc_set_size
• proc_set_user
• PDE_DATA
• proc_get_parent_data
• proc_remove
• remove_proc_entry
• remove_proc_subtree

proc_mkdir

说明：在/proc下创建目录

函数原型：

struct proc_dir_entry *proc_mkdir(const char *name, struct proc_dir_entry *parent)

参数：

• name
  要创建的目录名称
• parent
  父目录，如果为NULL，表示直接在/proc下面创建目录。

proc_mkdir_data

说明：在/proc下创建目录

函数原型：

struct proc_dir_entry *proc_mkdir_data(const char *name, umode_t mode, struct proc_dir_entry *parent, void *data)

参数：

• name
  要创建的目录名称
• mode
  指定要创建目录的权限
• parent
  父目录，如果为NULL，表示直接在/proc下面创建目录。
• data

proc_create_data

说明：创建proc虚拟文件系统文件
函数原型：

struct proc_dir_entry *proc_create_data(const char *name, umode_t mode,                                        struct proc_dir_entry *parent,                                        const struct file_operations *proc_fops,                                        void *data)

参数：

• name
  你要创建的文件名。
• mode
  为创建的文件指定权限
• parent
  为你要在哪个文件夹下建立名字为name的文件，如：init_net.proc_net是要在/proc/net/下建立文件。
• proc_fops
  为struct file_operations
• data
  保存私有数据的指针，如不要为NULL。

例子：

////////////////////////test.c////////////////////////////////////////#include <linux/init.h>  #include <linux/module.h>  #include <linux/types.h>  #include <linux/slab.h>  #include <linux/fs.h>  #include <linux/proc_fs.h>  #include <linux/seq_file.h>  #include <net/net_namespace.h>  #include <linux/mm.h>  MODULE_LICENSE("GPL");  typedef struct {          int data1;          int data2;  }ST_Data_Info_Type;  static ST_Data_Info_Type g_astDataInfo[2];  static int test_proc_show(struct seq_file *m, void *v){    ST_Data_Info_Type* pInfo = (ST_Data_Info_Type*)m->private;    if(pInfo != NULL)    {        seq_printf(m, "%d----%d\n", pInfo->data1, pInfo->data2);    }    return 0;}static int test_proc_open(struct inode *inode, struct file *file) {      return single_open(file, test_proc_show, PDE_DATA(inode));}  static const struct file_operations dl_file_ops = {          .owner = THIS_MODULE,          .open    = test_proc_open,    .read    = seq_read,    .llseek  = seq_lseek,    .release = single_release,};  static struct proc_dir_entry *s_pstRootTestDir;void init_mem(void)  {         /* create /proc/test */    s_pstRootTestDir = proc_mkdir("test", NULL);    if (!s_pstRootTestDir)        return;    g_astDataInfo[0].data1=1;          g_astDataInfo[0].data2=2;      proc_create_data("proc_test1", 0644, s_pstRootTestDir, &dl_file_ops, &g_astDataInfo[0]);    g_astDataInfo[1].data1=3;         g_astDataInfo[1].data2=4;      proc_create_data("proc_test2", 0644, s_pstRootTestDir, &dl_file_ops, &g_astDataInfo[1]);  } static int __init test_module_init(void)  {      printk("[test]: module init\n");    init_mem();          return 0;  }  static void __exit test_module_exit(void)  {      printk("[test]: module exit\n");    remove_proc_entry("proc_test1", s_pstRootTestDir);         remove_proc_entry("proc_test2", s_pstRootTestDir);    remove_proc_entry("test", NULL);}  module_init(test_module_init);  module_exit(test_module_exit);

proc_create

说明：创建proc虚拟文件系统文件

函数原型：

struct proc_dir_entry *proc_create(const char *name, umode_t mode, struct proc_dir_entry *parent, const struct file_operations *proc_fops)

参数：

• name
  你要创建的文件名。
• mode
  为创建的文件指定权限
• parent
  为你要在哪个文件夹下建立名字为name的文件，如：init_net.proc_net是要在/proc/net/下建立文件。
• proc_fops
  为struct file_operations

注意：这个接口和proc_create_data的区别在于他不能保存私有数据指针。

PDE_DATA

获取proc_create_data传入的私有数据。

proc_symlink

说明：这个函数在procfs目录下创建一个从name指向dest的符号链接. 它在用户空间等效为ln -s dest name。

函数原型：

struct proc_dir_entry *proc_symlink(const char *name, struct proc_dir_entry *parent, const char *dest)

参数：

• name
  原始符号。
• parent
  符号所在的目录。
• dest
  所要创建的符号链接名字。

remove_proc_entry

说明：删除procfs文件系统中的文件或者目录。

函数原型：

void remove_proc_entry(const char *name, struct proc_dir_entry *parent)

参数：

• name
  要删除的文件或者目录名。
• parent
  符号所在的目录，如果为NULL，表示在/proc目录下。