Linux Kernel /proc 虚拟文件系统源码分析

Nelson Boss included in category study

2024-04-21 2024-05-15 1585 words 4 minutes

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`/proc` 虚拟文件系统

Linux Kernel 里的 /proc 目录是一个虚拟文件系统，里面存放的是反应当前 Linux Kernel 运行状态的一系列特殊文件。之所以称之为是特殊文件，是因为这些文件其实不具有「实体」，当使用 cat 等指令尝试读取这些文件里的内容的时候，Linux Kernel 会调用特殊的函数，统计相关信息，然后以字节流的方式返回。对于读取该文件的程序（例如 cat）来说，这些虚拟文件和普通的文件并无差别，这也是 Linux 「一切皆文件」的一种体现。

proc 文件内容的输出是通过一个内核 API seq_file 实现的，这个 API 用于在内核之间传递信息，同时也能让内核对输出的信息进行格式化。更详细的关于 seq_file 的内容可以参考这篇文章。具体来说，对于每一个 /proc 下的文件来说，需要单独实现 seq_open() 函数接口，在该函数内统计需要的信息，然后按照格式顺序使用 seq_printf() 进行输出。

`/proc/mounts`

这个文件里存放的是当前操作系统所安装的文件系统的信息。示例：

其中每一行代表一个已安装的文件系统。总共有六列，从左到右分别是：

设备名：这是挂载的文件系统所在的设备或伪文件系统的名称。对于硬盘分区，这可能是类似于 /dev/sda1 的设备文件名。对于网络文件系统，可能是一个URL，如 server:/path。
挂载点：这是文件系统挂载到的目录路径。
文件系统类型：这是文件系统的类型，如 ext4、xfs、nfs、tmpfs 等。
挂载选项：这是挂载时使用的选项，以逗号分隔。它们定义了文件系统的各种挂载参数，如 ro 表示只读，rw 表示读写，noexec 禁止执行二进制文件，nosuid 禁止set-user-identifier或set-group-identifier权限等。
转储频率（dump frequency）：这是用于dump程序的备份操作的。在大多数现代系统中，这个值通常是0，表示不备份。
检查顺序（pass number）：在启动时，fsck 程序使用这个字段来确定检查文件系统的顺序。根文件系统应该是1，其他文件系统应该是2或更大。如果为0，则表示不检查。

需要注意的是，第五、六列的这两个信息在现代操作系统中已经没有作用了，这里保留下来是为了和久标准保持兼容，所以可以看到全都是 0。

这些信息是通过遍历内核中的已打开文件系统的链表获取的，直接找到对应的信息输出即可。挂载点则需要进行递归输出。

`/proc/devices`

这个文件列出了系统中所有已注册的设备及其主设备号。设备通常分为两类：

字符设备（Character devices）：这些设备通常是以字符为单位进行数据传输的，例如终端（terminals）、打印机（printers）或其他类型的串行端口。它们通常不支持随机访问数据。
块设备（Block devices）：这些设备是以数据块为单位进行数据传输的，例如硬盘、光盘驱动器或其他支持随机访问的存储设备。

/proc/devices 文件中的内容通常分为两个部分：

第一部分列出了字符设备，包括设备的主设备号和设备类型名称。
第二部分列出了块设备，同样包括设备的主设备号和设备类型名称。

这个文件的格式如下：

 1
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 3
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 5
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 7
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Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  ...

Block devices:
  7 loop
  8 sd
  9 md
 11 sr
  ...

在上面的例子中：

对于字符设备部分，1 是 /dev/mem 设备的主设备号，它代表内存访问设备。
对于块设备部分，8 是 SCSI 磁盘设备（通常是硬盘）的主设备号，sd 表示 SCSI 磁盘设备。

主设备号是内核用来识别处理该设备文件请求的驱动程序的标识符。当用户程序执行设备操作时（如读取或写入设备文件），主设备号用于确定哪个驱动程序应该处理这些请求。

与该模块相关的代码位于 fs/proc/devices.c、fs/char_dev.c 和 block/genhd.c 里。

fs/char_dev.c 中的 chrdev_show() 函数提供了获取字节设备信息的功能。其具体实现方式就是遍历字节设备表，然后直接输出。而 block/genhd.c 中的 blkdev_show() 则是提供了获取块设备信息的功能，实现方式相同。fs/proc/devices.c 中的 devinfo_show() 则只需要调用这两个函数，就可以实现输出设备信息的功能。