xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/ramfs/mod.rs (revision f5b2038871d3441e1c7f32439ff422957e7ab828)
1 use core::any::Any;
2 use core::intrinsics::unlikely;
3 
4 use crate::filesystem::vfs::{FileSystemMakerData, FSMAKER};
5 use crate::libs::rwlock::RwLock;
6 use crate::{
7     driver::base::device::device_number::DeviceNumber,
8     filesystem::vfs::{core::generate_inode_id, FileType},
9     ipc::pipe::LockedPipeInode,
10     libs::casting::DowncastArc,
11     libs::spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
12     time::PosixTimeSpec,
13 };
14 
15 use alloc::string::ToString;
16 use alloc::{
17     collections::BTreeMap,
18     string::String,
19     sync::{Arc, Weak},
20     vec::Vec,
21 };
22 use system_error::SystemError;
23 
24 use super::vfs::{
25     file::FilePrivateData, syscall::ModeType, utils::DName, FileSystem, FileSystemMaker, FsInfo,
26     IndexNode, InodeId, Metadata, SpecialNodeData,
27 };
28 
29 use linkme::distributed_slice;
30 
31 use super::vfs::{Magic, SuperBlock};
32 
33 /// RamFS的inode名称的最大长度
34 const RAMFS_MAX_NAMELEN: usize = 64;
35 const RAMFS_BLOCK_SIZE: u64 = 512;
36 /// @brief 内存文件系统的Inode结构体
37 #[derive(Debug)]
38 pub struct LockedRamFSInode(pub SpinLock<RamFSInode>);
39 
40 /// @brief 内存文件系统结构体
41 #[derive(Debug)]
42 pub struct RamFS {
43     /// RamFS的root inode
44     root_inode: Arc<LockedRamFSInode>,
45     super_block: RwLock<SuperBlock>,
46 }
47 
48 /// @brief 内存文件系统的Inode结构体(不包含锁)
49 #[derive(Debug)]
50 pub struct RamFSInode {
51     // parent变量目前只在find函数中使用到
52     // 所以只有当inode是文件夹的时候,parent才会生效
53     // 对于文件来说,parent就没什么作用了
54     // 关于parent的说明: 目录不允许有硬链接
55     /// 指向父Inode的弱引用
56     parent: Weak<LockedRamFSInode>,
57     /// 指向自身的弱引用
58     self_ref: Weak<LockedRamFSInode>,
59     /// 子Inode的B树
60     children: BTreeMap<DName, Arc<LockedRamFSInode>>,
61     /// 当前inode的数据部分
62     data: Vec<u8>,
63     /// 当前inode的元数据
64     metadata: Metadata,
65     /// 指向inode所在的文件系统对象的指针
66     fs: Weak<RamFS>,
67     /// 指向特殊节点
68     special_node: Option<SpecialNodeData>,
69 
70     name: DName,
71 }
72 
73 impl RamFSInode {
new() -> Self74     pub fn new() -> Self {
75         Self {
76             parent: Weak::default(),
77             self_ref: Weak::default(),
78             children: BTreeMap::new(),
79             data: Vec::new(),
80             metadata: Metadata {
81                 dev_id: 0,
82                 inode_id: generate_inode_id(),
83                 size: 0,
84                 blk_size: 0,
85                 blocks: 0,
86                 atime: PosixTimeSpec::default(),
87                 mtime: PosixTimeSpec::default(),
88                 ctime: PosixTimeSpec::default(),
89                 file_type: FileType::Dir,
90                 mode: ModeType::from_bits_truncate(0o777),
91                 nlinks: 1,
92                 uid: 0,
93                 gid: 0,
94                 raw_dev: DeviceNumber::default(),
95             },
96             fs: Weak::default(),
97             special_node: None,
98             name: Default::default(),
99         }
100     }
101 }
102 impl FileSystem for RamFS {
root_inode(&self) -> Arc<dyn super::vfs::IndexNode>103     fn root_inode(&self) -> Arc<dyn super::vfs::IndexNode> {
104         return self.root_inode.clone();
105     }
106 
info(&self) -> FsInfo107     fn info(&self) -> FsInfo {
108         return FsInfo {
109             blk_dev_id: 0,
110             max_name_len: RAMFS_MAX_NAMELEN,
111         };
112     }
113 
114     /// @brief 本函数用于实现动态转换。
115     /// 具体的文件系统在实现本函数时,最简单的方式就是:直接返回self
as_any_ref(&self) -> &dyn Any116     fn as_any_ref(&self) -> &dyn Any {
117         self
118     }
119 
name(&self) -> &str120     fn name(&self) -> &str {
121         "ramfs"
122     }
123 
super_block(&self) -> SuperBlock124     fn super_block(&self) -> SuperBlock {
125         self.super_block.read().clone()
126     }
127 }
128 
129 impl RamFS {
new() -> Arc<Self>130     pub fn new() -> Arc<Self> {
131         let super_block = SuperBlock::new(
132             Magic::RAMFS_MAGIC,
133             RAMFS_BLOCK_SIZE,
134             RAMFS_MAX_NAMELEN as u64,
135         );
136         // 初始化root inode
137         let root: Arc<LockedRamFSInode> =
138             Arc::new(LockedRamFSInode(SpinLock::new(RamFSInode::new())));
139 
140         let result: Arc<RamFS> = Arc::new(RamFS {
141             root_inode: root,
142             super_block: RwLock::new(super_block),
143         });
144 
145         // 对root inode加锁,并继续完成初始化工作
146         let mut root_guard: SpinLockGuard<RamFSInode> = result.root_inode.0.lock();
147         root_guard.parent = Arc::downgrade(&result.root_inode);
148         root_guard.self_ref = Arc::downgrade(&result.root_inode);
149         root_guard.fs = Arc::downgrade(&result);
150         // 释放锁
151         drop(root_guard);
152 
153         return result;
154     }
155 
make_ramfs( _data: Option<&dyn FileSystemMakerData>, ) -> Result<Arc<dyn FileSystem + 'static>, SystemError>156     pub fn make_ramfs(
157         _data: Option<&dyn FileSystemMakerData>,
158     ) -> Result<Arc<dyn FileSystem + 'static>, SystemError> {
159         let fs = RamFS::new();
160         return Ok(fs);
161     }
162 }
163 #[distributed_slice(FSMAKER)]
164 static RAMFSMAKER: FileSystemMaker = FileSystemMaker::new(
165     "ramfs",
166     &(RamFS::make_ramfs
167         as fn(
168             Option<&dyn FileSystemMakerData>,
169         ) -> Result<Arc<dyn FileSystem + 'static>, SystemError>),
170 );
171 
172 impl IndexNode for LockedRamFSInode {
truncate(&self, len: usize) -> Result<(), SystemError>173     fn truncate(&self, len: usize) -> Result<(), SystemError> {
174         let mut inode = self.0.lock();
175 
176         //如果是文件夹,则报错
177         if inode.metadata.file_type == FileType::Dir {
178             return Err(SystemError::EINVAL);
179         }
180 
181         //当前文件长度大于_len才进行截断,否则不操作
182         if inode.data.len() > len {
183             inode.data.resize(len, 0);
184         }
185         return Ok(());
186     }
187 
close(&self, _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>) -> Result<(), SystemError>188     fn close(&self, _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>) -> Result<(), SystemError> {
189         return Ok(());
190     }
191 
open( &self, _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>, _mode: &super::vfs::file::FileMode, ) -> Result<(), SystemError>192     fn open(
193         &self,
194         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
195         _mode: &super::vfs::file::FileMode,
196     ) -> Result<(), SystemError> {
197         return Ok(());
198     }
199 
read_at( &self, offset: usize, len: usize, buf: &mut [u8], _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>, ) -> Result<usize, SystemError>200     fn read_at(
201         &self,
202         offset: usize,
203         len: usize,
204         buf: &mut [u8],
205         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
206     ) -> Result<usize, SystemError> {
207         if buf.len() < len {
208             return Err(SystemError::EINVAL);
209         }
210         // 加锁
211         let inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
212 
213         // 检查当前inode是否为一个文件夹,如果是的话,就返回错误
214         if inode.metadata.file_type == FileType::Dir {
215             return Err(SystemError::EISDIR);
216         }
217 
218         let start = inode.data.len().min(offset);
219         let end = inode.data.len().min(offset + len);
220 
221         // buffer空间不足
222         if buf.len() < (end - start) {
223             return Err(SystemError::ENOBUFS);
224         }
225 
226         // 拷贝数据
227         let src = &inode.data[start..end];
228         buf[0..src.len()].copy_from_slice(src);
229         return Ok(src.len());
230     }
231 
write_at( &self, offset: usize, len: usize, buf: &[u8], _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>, ) -> Result<usize, SystemError>232     fn write_at(
233         &self,
234         offset: usize,
235         len: usize,
236         buf: &[u8],
237         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
238     ) -> Result<usize, SystemError> {
239         if buf.len() < len {
240             return Err(SystemError::EINVAL);
241         }
242 
243         // 加锁
244         let mut inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
245 
246         // 检查当前inode是否为一个文件夹,如果是的话,就返回错误
247         if inode.metadata.file_type == FileType::Dir {
248             return Err(SystemError::EISDIR);
249         }
250 
251         let data: &mut Vec<u8> = &mut inode.data;
252 
253         // 如果文件大小比原来的大,那就resize这个数组
254         if offset + len > data.len() {
255             data.resize(offset + len, 0);
256         }
257 
258         let target = &mut data[offset..offset + len];
259         target.copy_from_slice(&buf[0..len]);
260         return Ok(len);
261     }
262 
fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem>263     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
264         return self.0.lock().fs.upgrade().unwrap();
265     }
266 
as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any267     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
268         self
269     }
270 
metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError>271     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
272         let inode = self.0.lock();
273         let mut metadata = inode.metadata.clone();
274         metadata.size = inode.data.len() as i64;
275 
276         return Ok(metadata);
277     }
278 
set_metadata(&self, metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError>279     fn set_metadata(&self, metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
280         let mut inode = self.0.lock();
281         inode.metadata.atime = metadata.atime;
282         inode.metadata.mtime = metadata.mtime;
283         inode.metadata.ctime = metadata.ctime;
284         inode.metadata.mode = metadata.mode;
285         inode.metadata.uid = metadata.uid;
286         inode.metadata.gid = metadata.gid;
287 
288         return Ok(());
289     }
290 
resize(&self, len: usize) -> Result<(), SystemError>291     fn resize(&self, len: usize) -> Result<(), SystemError> {
292         let mut inode = self.0.lock();
293         if inode.metadata.file_type == FileType::File {
294             inode.data.resize(len, 0);
295             return Ok(());
296         } else {
297             return Err(SystemError::EINVAL);
298         }
299     }
300 
create_with_data( &self, name: &str, file_type: FileType, mode: ModeType, data: usize, ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError>301     fn create_with_data(
302         &self,
303         name: &str,
304         file_type: FileType,
305         mode: ModeType,
306         data: usize,
307     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
308         let name = DName::from(name);
309         // 获取当前inode
310         let mut inode = self.0.lock();
311         // 如果当前inode不是文件夹,则返回
312         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
313             return Err(SystemError::ENOTDIR);
314         }
315         // 如果有重名的,则返回
316         if inode.children.contains_key(&name) {
317             return Err(SystemError::EEXIST);
318         }
319 
320         // 创建inode
321         let result: Arc<LockedRamFSInode> = Arc::new(LockedRamFSInode(SpinLock::new(RamFSInode {
322             parent: inode.self_ref.clone(),
323             self_ref: Weak::default(),
324             children: BTreeMap::new(),
325             data: Vec::new(),
326             metadata: Metadata {
327                 dev_id: 0,
328                 inode_id: generate_inode_id(),
329                 size: 0,
330                 blk_size: 0,
331                 blocks: 0,
332                 atime: PosixTimeSpec::default(),
333                 mtime: PosixTimeSpec::default(),
334                 ctime: PosixTimeSpec::default(),
335                 file_type,
336                 mode,
337                 nlinks: 1,
338                 uid: 0,
339                 gid: 0,
340                 raw_dev: DeviceNumber::from(data as u32),
341             },
342             fs: inode.fs.clone(),
343             special_node: None,
344             name: name.clone(),
345         })));
346 
347         // 初始化inode的自引用的weak指针
348         result.0.lock().self_ref = Arc::downgrade(&result);
349 
350         // 将子inode插入父inode的B树中
351         inode.children.insert(name, result.clone());
352 
353         return Ok(result);
354     }
355 
link(&self, name: &str, other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError>356     fn link(&self, name: &str, other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
357         let other: &LockedRamFSInode = other
358             .downcast_ref::<LockedRamFSInode>()
359             .ok_or(SystemError::EPERM)?;
360         let name = DName::from(name);
361         let mut inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
362         let mut other_locked: SpinLockGuard<RamFSInode> = other.0.lock();
363 
364         // 如果当前inode不是文件夹,那么报错
365         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
366             return Err(SystemError::ENOTDIR);
367         }
368 
369         // 如果另一个inode是文件夹,那么也报错
370         if other_locked.metadata.file_type == FileType::Dir {
371             return Err(SystemError::EISDIR);
372         }
373 
374         // 如果当前文件夹下已经有同名文件,也报错。
375         if inode.children.contains_key(&name) {
376             return Err(SystemError::EEXIST);
377         }
378 
379         inode
380             .children
381             .insert(name, other_locked.self_ref.upgrade().unwrap());
382 
383         // 增加硬链接计数
384         other_locked.metadata.nlinks += 1;
385         return Ok(());
386     }
387 
unlink(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError>388     fn unlink(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
389         let mut inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
390         // 如果当前inode不是目录,那么也没有子目录/文件的概念了,因此要求当前inode的类型是目录
391         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
392             return Err(SystemError::ENOTDIR);
393         }
394         // 不允许删除当前文件夹,也不允许删除上一个目录
395         if name == "." || name == ".." {
396             return Err(SystemError::ENOTEMPTY);
397         }
398 
399         let name = DName::from(name);
400         // 获得要删除的文件的inode
401         let to_delete = inode.children.get(&name).ok_or(SystemError::ENOENT)?;
402         if to_delete.0.lock().metadata.file_type == FileType::Dir {
403             return Err(SystemError::EPERM);
404         }
405         // 减少硬链接计数
406         to_delete.0.lock().metadata.nlinks -= 1;
407         // 在当前目录中删除这个子目录项
408         inode.children.remove(&name);
409         return Ok(());
410     }
411 
rmdir(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError>412     fn rmdir(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
413         let name = DName::from(name);
414         let mut inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
415         // 如果当前inode不是目录,那么也没有子目录/文件的概念了,因此要求当前inode的类型是目录
416         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
417             return Err(SystemError::ENOTDIR);
418         }
419         // 获得要删除的文件夹的inode
420         let to_delete = inode.children.get(&name).ok_or(SystemError::ENOENT)?;
421         if to_delete.0.lock().metadata.file_type != FileType::Dir {
422             return Err(SystemError::ENOTDIR);
423         }
424 
425         to_delete.0.lock().metadata.nlinks -= 1;
426         // 在当前目录中删除这个子目录项
427         inode.children.remove(&name);
428         return Ok(());
429     }
430 
move_to( &self, old_name: &str, target: &Arc<dyn IndexNode>, new_name: &str, ) -> Result<(), SystemError>431     fn move_to(
432         &self,
433         old_name: &str,
434         target: &Arc<dyn IndexNode>,
435         new_name: &str,
436     ) -> Result<(), SystemError> {
437         let inode_to_move = self
438             .find(old_name)?
439             .downcast_arc::<LockedRamFSInode>()
440             .ok_or(SystemError::EINVAL)?;
441 
442         let new_name = DName::from(new_name);
443 
444         inode_to_move.0.lock().name = new_name.clone();
445 
446         let target_id = target.metadata()?.inode_id;
447 
448         let mut self_inode = self.0.lock();
449         // 判断是否在同一目录下, 是则进行重命名
450         if target_id == self_inode.metadata.inode_id {
451             self_inode.children.remove(&DName::from(old_name));
452             self_inode.children.insert(new_name, inode_to_move);
453             return Ok(());
454         }
455         drop(self_inode);
456 
457         // 修改其对父节点的引用
458         inode_to_move.0.lock().parent = Arc::downgrade(
459             &target
460                 .clone()
461                 .downcast_arc::<LockedRamFSInode>()
462                 .ok_or(SystemError::EINVAL)?,
463         );
464 
465         // 在新的目录下创建一个硬链接
466         target.link(new_name.as_ref(), &(inode_to_move as Arc<dyn IndexNode>))?;
467 
468         // 取消现有的目录下的这个硬链接
469         if let Err(e) = self.unlink(old_name) {
470             // 当操作失败时回退操作
471             target.unlink(new_name.as_ref())?;
472             return Err(e);
473         }
474 
475         return Ok(());
476     }
477 
find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError>478     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
479         let inode = self.0.lock();
480 
481         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
482             return Err(SystemError::ENOTDIR);
483         }
484 
485         match name {
486             "" | "." => {
487                 return Ok(inode.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
488             }
489 
490             ".." => {
491                 return Ok(inode.parent.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
492             }
493             name => {
494                 // 在子目录项中查找
495                 let name = DName::from(name);
496                 return Ok(inode
497                     .children
498                     .get(&name)
499                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?
500                     .clone());
501             }
502         }
503     }
504 
get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError>505     fn get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError> {
506         let inode: SpinLockGuard<RamFSInode> = self.0.lock();
507         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
508             return Err(SystemError::ENOTDIR);
509         }
510 
511         match ino.into() {
512             0 => {
513                 return Ok(String::from("."));
514             }
515             1 => {
516                 return Ok(String::from(".."));
517             }
518             ino => {
519                 // 暴力遍历所有的children,判断inode id是否相同
520                 // TODO: 优化这里,这个地方性能很差!
521                 let mut key: Vec<String> = inode
522                     .children
523                     .iter()
524                     .filter_map(|(k, v)| {
525                         if v.0.lock().metadata.inode_id.into() == ino {
526                             Some(k.to_string())
527                         } else {
528                             None
529                         }
530                     })
531                     .collect();
532 
533                 match key.len() {
534                     0=>{return Err(SystemError::ENOENT);}
535                     1=>{return Ok(key.remove(0));}
536                     _ => panic!("Ramfs get_entry_name: key.len()={key_len}>1, current inode_id={inode_id:?}, to find={to_find:?}", key_len=key.len(), inode_id = inode.metadata.inode_id, to_find=ino)
537                 }
538             }
539         }
540     }
541 
list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError>542     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
543         let info = self.metadata()?;
544         if info.file_type != FileType::Dir {
545             return Err(SystemError::ENOTDIR);
546         }
547 
548         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
549         keys.push(String::from("."));
550         keys.push(String::from(".."));
551         keys.append(
552             &mut self
553                 .0
554                 .lock()
555                 .children
556                 .keys()
557                 .map(|k| k.to_string())
558                 .collect(),
559         );
560 
561         return Ok(keys);
562     }
563 
mknod( &self, filename: &str, mode: ModeType, _dev_t: DeviceNumber, ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError>564     fn mknod(
565         &self,
566         filename: &str,
567         mode: ModeType,
568         _dev_t: DeviceNumber,
569     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
570         let mut inode = self.0.lock();
571         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
572             return Err(SystemError::ENOTDIR);
573         }
574 
575         // 判断需要创建的类型
576         if unlikely(mode.contains(ModeType::S_IFREG)) {
577             // 普通文件
578             return self.create(filename, FileType::File, mode);
579         }
580 
581         let filename = DName::from(filename);
582 
583         let nod = Arc::new(LockedRamFSInode(SpinLock::new(RamFSInode {
584             parent: inode.self_ref.clone(),
585             self_ref: Weak::default(),
586             children: BTreeMap::new(),
587             data: Vec::new(),
588             metadata: Metadata {
589                 dev_id: 0,
590                 inode_id: generate_inode_id(),
591                 size: 0,
592                 blk_size: 0,
593                 blocks: 0,
594                 atime: PosixTimeSpec::default(),
595                 mtime: PosixTimeSpec::default(),
596                 ctime: PosixTimeSpec::default(),
597                 file_type: FileType::Pipe,
598                 mode,
599                 nlinks: 1,
600                 uid: 0,
601                 gid: 0,
602                 raw_dev: DeviceNumber::default(),
603             },
604             fs: inode.fs.clone(),
605             special_node: None,
606             name: filename.clone(),
607         })));
608 
609         nod.0.lock().self_ref = Arc::downgrade(&nod);
610 
611         if mode.contains(ModeType::S_IFIFO) {
612             nod.0.lock().metadata.file_type = FileType::Pipe;
613             // 创建pipe文件
614             let pipe_inode = LockedPipeInode::new();
615             // 设置special_node
616             nod.0.lock().special_node = Some(SpecialNodeData::Pipe(pipe_inode));
617         } else if mode.contains(ModeType::S_IFBLK) {
618             nod.0.lock().metadata.file_type = FileType::BlockDevice;
619             unimplemented!()
620         } else if mode.contains(ModeType::S_IFCHR) {
621             nod.0.lock().metadata.file_type = FileType::CharDevice;
622             unimplemented!()
623         }
624 
625         inode.children.insert(filename, nod.clone());
626         Ok(nod)
627     }
628 
special_node(&self) -> Option<super::vfs::SpecialNodeData>629     fn special_node(&self) -> Option<super::vfs::SpecialNodeData> {
630         return self.0.lock().special_node.clone();
631     }
632 
dname(&self) -> Result<DName, SystemError>633     fn dname(&self) -> Result<DName, SystemError> {
634         Ok(self.0.lock().name.clone())
635     }
636 
parent(&self) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError>637     fn parent(&self) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
638         self.0
639             .lock()
640             .parent
641             .upgrade()
642             .map(|item| item as Arc<dyn IndexNode>)
643             .ok_or(SystemError::EINVAL)
644     }
645 }
646