文件系统十二—伪文件系统

前文中我们已经分析了文件系统，而文件系统的精髓所在是让用户可以通过文件描述符来对指定的inode进行一系列的操作。

本章开始学习伪文件系统，伪文件系统和普通文件系统的区别在于，其inode对用户不可访问，即仅在内核态可见，从用户层的视角来看该文件系统并不存在。伪文件系统的作用是对一些操作系统中的元素进行封装，和普通的文件统一接口，如块设备bdevfs，管道文件pipefs，套接字socketfs等。通过这种方式的统一封装，才实现了Linux一切皆文件的思想。如下图中红色的都应该算是伪文件系统，本章就学习其中的procfs/sysfs/pipefs。

1 proc文件系统

1.1 数据结构

proc文件系统由proc_dir_entry结构体实例组成，内核各子系统可通过接口函数向proc文件系统添加目录和文件。proc_dir_entry结构体定义在fs/proc/internal.h头文件

在VFS中proc文件系统节点由proc_inode结构体表示，其定义在fs/proc/internal.h

1.2 初始化

内核在启动函数start_kernel()中调用proc_root_init()函数完成proc文件系统的初始化工作，函数定义在/fs/proc/root.c文件内，代码如下：

proc_root_init()函数的主要工作是创建proc_inode结构体slab缓存，注册proc_fs_type文件系统类型，为各子系统添加目录项和文件。

proc文件系统需要挂载到根文件系统（通常是/proc挂载点），才能对用户进程可见。那么如何对proc文件系统的挂载，以及用户进程对proc文件系统中文件的操作。

1.3 挂载文件系统

proc文件系统类型挂载函数proc_mount()定义如下（fs/proc/root.c）

其与前面介绍过的文件系统挂载类似，主要是通过proc_fill_super填充超级块实例，创建设置denry、proc_inode实例等，主要来看看proc_fill_super函数实现(fs/proc/inode.c)

内核在/fs/proc/root.c文件内静态创建了proc文件系统根目录项的proc_dir_entry实例proc_root：

proc_fill_super()函数首先对super_block实例进行初始化，设置其超级块操作结构实例为proc_sops，然后调用proc_get_inode()函数创建proc_inode实例，并建立其与proc_root实例的关联，创建文件系统根目录项dentry实例，并关联proc_inode.vfs_inode成员（inode实例），最后在根目录下创建self和thread-self目录项。所以其数据结构如下图所示

proc文件系统需要由用户挂载，才能对用户可见。通常在操作系统启动脚本中会将proc文件系统挂载到/proc目录下。

• 挂载操作将创建proc文件系统超级块super_block实例，文件系统根目录项dentry实例，以及proc_inode实例。proc_inode实例中包含节点inode结构体成员，其i_op、i_fop成员分别指向proc_root实例中proc_iops、proc_fops指向的实例。
• 对于根节点，proc_iops、proc_fops指向的实例是专用的，它们分别为proc_root_inode_operations、proc_root_operations。
• 用户打开proc文件系统中文件时，将为每个路径分量（目录项）创建dentry和proc_inode实例，并建立proc_inode实例与proc_dir_entry实例之间的关联。

1.4 添加普通目录项

向proc文件系统添加普通目录项的接口函数为proc_mkdir_data()，定义如下（fs/proc/generic.c）

设置普通目录文件的节点操作结构和文件操作结构实例为proc_dir_inode_operations和proc_dir_operations，这两个实例都是通用的实例，最后调用proc_register()函数注册proc_dir_entry实例，主要是将其添加到父目录项管理的红黑树中。

向proc文件系统添加文件的操作与添加普通目录项的操作类似，主要区别是添加文件时，需要定义文件操作结构file_operations实例，传递给proc_dir_entry实例。

对于普通目录项，proc_inode内嵌inode实例i_op和i_fop成员赋值为proc_dir_entry实例proc_iops、proc_fops成员值。对于文件目录项，proc_inode内嵌inode实例i_op赋值为proc_dir_entry实例proc_iops成员值，而i_fop成员指向proc_reg_file_ops实例，

1.6 打开文件

proc文件系统中路径搜索都是从其根目录项开始的，根目录项与普通目录项关联inode_operations实例不同，搜索函数也不同，如下图所示。

根目录项关联inode_operations实例定义如下（fs/proc/root.c）：

普通目录项关联inode_operations实例定义如下（fs/proc/generic.c）：

在打开文件的操作中将调用proc_get_inode()函数为proc_dir_entry实例创建proc_inode实例，如果实例代表的是普通文件，则inode实例关联的文件操作结构实例设为proc_reg_file_ops，定义如下：

打开文件后，需要读写文件，其也就可以调用该接口的read/write接口，其整个流程如下

2. sysfs

sys文件系统与proc文件系统一样，通过内核数据结构实例，组织成文件系统，它由kernfs_node结构体实例构成。

kernfs文件系统并不是一个完整的文件系统，它只是提供构建文件系统的基础组件及相关的接口函数，使用kernfs文件系统的子系统需要定义并注册文件系统类型file_system_type实例。其过程与procfs文件基本类似就不单独介绍。

3 pipefs

管道(pipe)和命名管道是进程间通信的机制，用于进程间的单向数据传输。管道和命名管道的两端分别是写进程和读进程，本质上是一种特殊的文件，文件的内容保存在一个内存的缓冲区中(FIFO)。

管道没有文件名称，由内核管理，只能用于同源的进程间（fork()出来的进程间）通信，对其它非同源的进程不可见。命名管道与普通文件一样具有文件名称，文件保存在具体文件系统中，导出到内核根文件系统，对用户可见，可用于任意进程之间的通信。

管道/命名管道包含一个缓存区，缓存区可认为有一个进口和一个出口，写进程从进口写入数据，读进程从出口读取数据，数据在缓存区中按写入时间先后顺序排列，先进的数据先读出，只能按顺序读取，不能任意读取。

父进程创建子进程后，表示管道的两个文件描述符将传递给子进程。如果父进程要通过管道向子进程传递数据，则关闭父进程读端文件描述符和子进程写端文件描述符。父进程则可以向管道写入数据，子进程可从管道读取数据。

pipefs伪文件系统类型pipe_fs_type实例定义如下（/fs/pipe.c）

pipefs伪文件系统初始化函数init_pipe_fs()中注册了文件系统类型，并执行了内核挂载，函数定义如下：

其pipefs_mount比较简单，主要工作是创建挂载mount结构体实例，调用文件系统类型中定义的mount()函数，创建超级块super_block、根目录项dentry和inode结构体实例，并建立以上数据结构实例之间的关系，执行结果如下图所示。

我们来学习下如何使用的管道，用户进程创建管道的系统调用为pipe和pipe2，实现如下

pipe2()系统调用实现函数定义如下：

pipe()/pipe2()系统调用将返回2个文件描述符，参数fildes指向的数组用于存放返回的文件描述符，fildes[0]表示读取端文件描述符（只读形式），fildes[1]表示写入端文件描述符（只写形式）。

系统调用内通过__do_pipe_flags()函数创建表示管道的dentry和inode实例，分配并初始化表示管道的pipe_inode_info结构体实例，分配2个file实例，2个文件描述符，2个file实例关联到同一个inode实例，file和inode关联的文件操作结构实例为pipefifo_fops。

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