Linux系统中的内核交互文件系统：自构proc详解

proc是Linux系统中一种特殊的文件系统，它用来提供内核和用户空间的交互接口，如显示内核信息，修改内核参数，控制内核功能等。proc的优点是简单易用，不需要额外的设备或驱动。proc的实现涉及到proc_dir_entry结构体，proc_create函数，seq_file机制等概念。在本文中，我们将介绍Linux内核调试技术之自构proc的原理和方法，包括创建和删除proc文件，读取和写入proc文件，使用seq_file机制等，并举例说明它们的使用方法和注意事项。

1、简介

在内核中使用printk可以讲调试信息保存在log_buf缓冲区中，可以使用命令 #cat /proc/kmsg 将缓冲区的数区的数数据打印出来,今天我们就来研究一下，自己写kmsg这个文件，我们取名叫做 mymsg。

2、查看内核中 /proc/kmsg怎么写的！

在Proc_misc.c (fs\proc) 文件中：

void __init proc_misc_init(void)
{
    .........................
        struct proc_dir_entry *entry;
        //这里创建了一个proc入口kmsg
        entry = create_proc_entry("kmsg", S_IRUSR, &proc_root);
        if (entry)
       /*构造一个proc_fops结构*/
       entry->proc_fops = &proc_kmsg_operations;
  ......................... 
}

在Kmsg.c (fs\proc) 文件中：

const struct file_operations proc_kmsg_operations = {
    .read        = kmsg_read,
    .poll        = kmsg_poll,
    .open        = kmsg_open,
    .release    = kmsg_release,
};

在用户空间中使用 cat /proc/kmsg的时候，会调用kmsg_open，在调用kmsg_read函数，读取log_buf中的数据，拷贝到用户空间显示。

3、在写之前，我们需要来学习一下循环队列

环形队列是在实际编程极为有用的数据结构，它有如下特点。

它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间，数据组织简单，能很快知道队列是否满为空。能以很快速度的来存取数据。

因为有简单高效的原因，甚至在硬件都实现了环形队列。

环形队列广泛用于网络数据收发，和不同程序间数据交换（比如内核与应用程序大量交换数据，从硬件接收大量数据）均使用了环形队列。

3.1.环形队列实现原理

内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。那当数据到了尾部如何处理呢？它将转回到0位置来处理。这个的转回是通过取模操作来执行的。

因此环列队列的是逻辑上将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。

为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。

环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当tail追上head时，队列为满时，当head追上tail时，队列为空。但如何知道谁追上谁。还需要一些辅助的手段来判断.

如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法。

一.是附加一个标志位tag

当head赶上tail，队列空，则令tag=0,
当tail赶上head，队列满，则令tag=1,

二.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。

队列空： head==tail
队列满： (tail+1)% MAXN ==head

4、程序编写

#include 
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include

\#define MYLOG_BUF_LEN 1024
static char mylog_buf[MYLOG_BUF_LEN];
static char tmp_buf[MYLOG_BUF_LEN];
static int mylog_r = 0;
static int mylog_w = 0;
static int mylog_r_tmp = 0;

/*休眠队列初始化*/
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mymsg_waitq);

/*
*判断环形队列是否为空
*返回0:表示不空 返回1:表示空
*/
static int is_mylog_empty(void)
{
  return (mylog_r == mylog_w);
}

/*
*判断环形队列是否满
*返回0:表示不满 返回1:表示满
*/
static int is_mylog_full(void)
{
  return((mylog_w + 1)% MYLOG_BUF_LEN == mylog_r);
}

/*
*在读取的时候，判断环形队列中数据是否为空
*返回0:表示不空 返回1:表示空
*/
static int is_mylog_empty_for_read(void)
{
  return (mylog_r_tmp == mylog_w);
}

/*
*往循环队列中存字符
*输入:c字符 单位:1byte
*输出:无
*/
static void mylog_putc(char c)
{

  if(is_mylog_full())
  {
    /*如果检测到队列已经满了，则丢弃该数据*/
    mylog_r= (mylog_r + 1) % MYLOG_BUF_LEN;
    
    /*mylog_r_tmp不能大于mylog_r*/
    if((mylog_r_tmp + 1)% MYLOG_BUF_LEN == mylog_r)
      mylog_r_tmp= mylog_r;
    
  }
  mylog_buf[mylog_w]= c;
  /*当mylog_w=1023的时候 (mylog_w+1) % MYLOG_BUF_LEN =0,回到队列头，实现循环*/
  mylog_w= (mylog_w + 1) % MYLOG_BUF_LEN;
  /* 唤醒等待数据的进程*/  
  wake_up_interruptible(&mymsg_waitq); 
}

/*
*从循环队列中读字符
*输入:*p 单位:1byte
*输出:1表示成功
*/
static int mylog_getc(char *p)
{
  /*判断数据是否为空*/
  if (is_mylog_empty_for_read())
  {
    return 0;
  }
  *p = mylog_buf[mylog_r_tmp ];
  mylog_r_tmp = (mylog_r_tmp + 1) % MYLOG_BUF_LEN;
  return 1;
}

/*
*调用myprintk，和printf用法相同
*/
int myprintk(const char *fmt, ...)
{
  va_list args;
  int i;
  int j;

  va_start(args, fmt);
  i= vsnprintf(tmp_buf, INT_MAX, fmt, args);
  va_end(args);
  
  for (j = 0; j return i;
}


static ssize_t mymsg_read(struct file *file, char __user *buf,
      size_t count, loff_t*ppos)
{
  int error=0;
  size_t i=0;
  char c;
  /* 把mylog_buf的数据copy_to_user, return*/

  /*非阻塞 和 缓冲区为空的时候返回*/
  if ((file->f_flags & O_NONBLOCK) && is_mylog_empty())
    return -EAGAIN;
  
  /*休眠队列wait_event_interruptible(xxx,0)-->休眠*/
  error= wait_event_interruptible(mymsg_waitq, !is_mylog_empty_for_read());
  
  /* copy_to_user*/
  while (!error && (mylog_getc(&c)) && i if (!error)
    error= i;
  /*返回实际读到的个数*/
  return error;
}

static int mymsg_open(struct inode * inode, struct file * file)
{
  mylog_r_tmp= mylog_r;
  return 0;
}


const struct file_operations proc_mymsg_operations = {
  .read= mymsg_read,
  .open= mymsg_open,
  };
static int mymsg_init(void)
{
  struct proc_dir_entry *myentry; kmsg
  myentry= create_proc_entry("mymsg", S_IRUSR, &proc_root);
  if (myentry)
    myentry->proc_fops = &proc_mymsg_operations;
  return 0;
}

static void mymsg_exit(void)
{
  remove_proc_entry("mymsg", &proc_root);
}

module_init(mymsg_init);
module_exit(mymsg_exit);

/*声名到内核空间*/
EXPORT_SYMBOL(myprintk);

MODULE_LICENSE("GPL");

5、测试程序

注意:在上面程序中 使用了 EXPORT_SYMBOL(myprintk);意思是把myprintk可以在整个内核空间使用。

使用方法：①extern int myprintk(const char *fmt, ...);声明

      ② myprintk("first_drv_open : %d\n", ++cnt);使用

\#include 
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include
\#include

static struct class *firstdrv_class;
static struct class_device  *firstdrv_class_dev;

volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
volatile unsigned long *gpfdat = NULL;

extern int myprintk(const char *fmt, ...);

static int first_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
  static int cnt = 0;
  myprintk("first_drv_open : %d\n", ++cnt);
  /* 配置GPF4,5,6为输出*/
  *gpfcon &= ~((0x3return 0;
}

static ssize_t first_drv_write(struct file *file, const char __user *buf,
size_t count, loff_t * ppos)
{
  int val;
  static int cnt = 0;

  myprintk("first_drv_write : %d\n", ++cnt);

  copy_from_user(&val, buf, count); //  copy_to_user();

  if (val == 1)
  {
    // 点灯
    *gpfdat &= ~((1else
  {
    // 灭灯
    *gpfdat |= (1return 0;
}

static struct file_operations first_drv_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,  /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量*/
  .open = first_drv_open,  
  .write  =  first_drv_write,   
};


int major;
static int first_drv_init(void)
{
  myprintk("first_drv_init\n");
  major= register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops); // 注册, 告诉内核

  firstdrv_class= class_create(THIS_MODULE, "firstdrv");

  firstdrv_class_dev= class_device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0),
 NULL, "xyz"); /* /dev/xyz*/

  gpfcon= (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16);
  gpfdat= gpfcon + 1;

  return 0;
}

static void first_drv_exit(void)
{
  unregister_chrdev(major,"first_drv"); // 卸载

  class_device_unregister(firstdrv_class_dev);
  class_destroy(firstdrv_class);
  iounmap(gpfcon);
}

module_init(first_drv_init);
module_exit(first_drv_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");

6、在tty中测试效果

# insmod my_msg.ko``# insmod first_drv.ko``# cat /proc/mymsg``mymsg_open mylog_r_
tmp=0``first_drv_init

通过本文，我们了解了Linux内核调试技术之自构proc的原理和方法，它们可以用来实现对内核的调试和控制。我们应该根据实际需求选择合适的方法，并遵循一些基本原则，如使用正确的文件名，使用正确的读写函数，使用正确的seq_file操作等。proc是Linux系统中一种有用而灵活的文件系统，它可以实现对内核的交互和反馈，也可以提升内核的可维护性和可扩展性。希望本文能够对你有所帮助和启发。

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