xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/devfs/mod.rs (revision da152319797436368304cbc3f85a3b9ec049134b)
1 /// 导出devfs的模块
2 pub mod null_dev;
3 pub mod zero_dev;
4 
5 use super::vfs::{
6     core::{generate_inode_id, ROOT_INODE},
7     file::FileMode,
8     syscall::ModeType,
9     FilePrivateData, FileSystem, FileType, FsInfo, IndexNode, Magic, Metadata, SuperBlock,
10 };
11 use crate::{
12     driver::base::device::device_number::DeviceNumber,
13     kerror, kinfo,
14     libs::{
15         once::Once,
16         spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
17     },
18     time::TimeSpec,
19 };
20 use alloc::{
21     collections::BTreeMap,
22     string::{String, ToString},
23     sync::{Arc, Weak},
24     vec::Vec,
25 };
26 use system_error::SystemError;
27 
28 const DEVFS_BLOCK_SIZE: u64 = 512;
29 const DEVFS_MAX_NAMELEN: usize = 255;
30 /// @brief dev文件系统
31 #[derive(Debug)]
32 pub struct DevFS {
33     // 文件系统根节点
34     root_inode: Arc<LockedDevFSInode>,
35     super_block: SuperBlock,
36 }
37 
38 impl FileSystem for DevFS {
39     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
40         self
41     }
42 
43     fn root_inode(&self) -> Arc<dyn super::vfs::IndexNode> {
44         return self.root_inode.clone();
45     }
46 
47     fn info(&self) -> super::vfs::FsInfo {
48         return FsInfo {
49             blk_dev_id: 0,
50             max_name_len: DEVFS_MAX_NAMELEN,
51         };
52     }
53 
54     fn name(&self) -> &str {
55         "devfs"
56     }
57 
58     fn super_block(&self) -> SuperBlock {
59         self.super_block.clone()
60     }
61 }
62 
63 impl DevFS {
64     pub fn new() -> Arc<Self> {
65         let super_block = SuperBlock::new(
66             Magic::DEVFS_MAGIC,
67             DEVFS_BLOCK_SIZE,
68             DEVFS_MAX_NAMELEN as u64,
69         );
70         // 初始化root inode
71         let root: Arc<LockedDevFSInode> = Arc::new(LockedDevFSInode(SpinLock::new(
72             // /dev 的权限设置为 读+执行,root 可以读写
73             // root 的 parent 是空指针
74             DevFSInode::new(FileType::Dir, ModeType::from_bits_truncate(0o755), 0),
75         )));
76 
77         let devfs: Arc<DevFS> = Arc::new(DevFS {
78             root_inode: root,
79             super_block,
80         });
81 
82         // 对root inode加锁,并继续完成初始化工作
83         let mut root_guard: SpinLockGuard<DevFSInode> = devfs.root_inode.0.lock();
84         root_guard.parent = Arc::downgrade(&devfs.root_inode);
85         root_guard.self_ref = Arc::downgrade(&devfs.root_inode);
86         root_guard.fs = Arc::downgrade(&devfs);
87         // 释放锁
88         drop(root_guard);
89 
90         // 创建文件夹
91         let root: &Arc<LockedDevFSInode> = &devfs.root_inode;
92         root.add_dir("char")
93             .expect("DevFS: Failed to create /dev/char");
94 
95         root.add_dir("block")
96             .expect("DevFS: Failed to create /dev/block");
97         devfs.register_bultinin_device();
98 
99         // kdebug!("ls /dev: {:?}", root.list());
100         return devfs;
101     }
102 
103     /// @brief 注册系统内部自带的设备
104     fn register_bultinin_device(&self) {
105         use null_dev::LockedNullInode;
106         use zero_dev::LockedZeroInode;
107         let dev_root: Arc<LockedDevFSInode> = self.root_inode.clone();
108         dev_root
109             .add_dev("null", LockedNullInode::new())
110             .expect("DevFS: Failed to register /dev/null");
111         dev_root
112             .add_dev("zero", LockedZeroInode::new())
113             .expect("DevFS: Failed to register /dev/zero");
114     }
115 
116     /// @brief 在devfs内注册设备
117     ///
118     /// @param name 设备名称
119     /// @param device 设备节点的结构体
120     pub fn register_device<T: DeviceINode>(
121         &self,
122         name: &str,
123         device: Arc<T>,
124     ) -> Result<(), SystemError> {
125         let dev_root_inode: Arc<LockedDevFSInode> = self.root_inode.clone();
126         let metadata = device.metadata()?;
127         match metadata.file_type {
128             // 字节设备挂载在 /dev/char
129             FileType::CharDevice => {
130                 if dev_root_inode.find("char").is_err() {
131                     dev_root_inode.create(
132                         "char",
133                         FileType::Dir,
134                         ModeType::from_bits_truncate(0o755),
135                     )?;
136                 }
137 
138                 let any_char_inode = dev_root_inode.find("char")?;
139                 let dev_char_inode: &LockedDevFSInode = any_char_inode
140                     .as_any_ref()
141                     .downcast_ref::<LockedDevFSInode>()
142                     .unwrap();
143                 // 在 /dev/char 下创建设备节点
144                 dev_char_inode.add_dev(name, device.clone())?;
145 
146                 // 特殊处理 tty 设备,挂载在 /dev 下
147                 if name.starts_with("tty") && name.len() > 3 {
148                     dev_root_inode.add_dev(name, device.clone())?;
149                 }
150                 device.set_fs(dev_char_inode.0.lock().fs.clone());
151             }
152             FileType::BlockDevice => {
153                 if dev_root_inode.find("block").is_err() {
154                     dev_root_inode.create(
155                         "block",
156                         FileType::Dir,
157                         ModeType::from_bits_truncate(0o755),
158                     )?;
159                 }
160 
161                 let any_block_inode = dev_root_inode.find("block")?;
162                 let dev_block_inode: &LockedDevFSInode = any_block_inode
163                     .as_any_ref()
164                     .downcast_ref::<LockedDevFSInode>()
165                     .unwrap();
166 
167                 dev_block_inode.add_dev(name, device.clone())?;
168                 device.set_fs(dev_block_inode.0.lock().fs.clone());
169             }
170             FileType::KvmDevice => {
171                 dev_root_inode
172                     .add_dev(name, device.clone())
173                     .expect("DevFS: Failed to register /dev/kvm");
174             }
175             FileType::FramebufferDevice => {
176                 dev_root_inode
177                     .add_dev(name, device.clone())
178                     .expect("DevFS: Failed to register /dev/fb");
179             }
180             _ => {
181                 return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
182             }
183         }
184 
185         return Ok(());
186     }
187 
188     /// @brief 卸载设备
189     pub fn unregister_device<T: DeviceINode>(
190         &self,
191         name: &str,
192         device: Arc<T>,
193     ) -> Result<(), SystemError> {
194         let dev_root_inode: Arc<LockedDevFSInode> = self.root_inode.clone();
195         match device.metadata().unwrap().file_type {
196             // 字节设备挂载在 /dev/char
197             FileType::CharDevice => {
198                 if dev_root_inode.find("char").is_err() {
199                     return Err(SystemError::ENOENT);
200                 }
201 
202                 let any_char_inode = dev_root_inode.find("char")?;
203                 let dev_char_inode = any_char_inode
204                     .as_any_ref()
205                     .downcast_ref::<LockedDevFSInode>()
206                     .unwrap();
207                 // TODO: 调用设备的卸载接口(当引入卸载接口之后)
208                 dev_char_inode.remove(name)?;
209             }
210             FileType::BlockDevice => {
211                 if dev_root_inode.find("block").is_err() {
212                     return Err(SystemError::ENOENT);
213                 }
214 
215                 let any_block_inode = dev_root_inode.find("block")?;
216                 let dev_block_inode = any_block_inode
217                     .as_any_ref()
218                     .downcast_ref::<LockedDevFSInode>()
219                     .unwrap();
220 
221                 dev_block_inode.remove(name)?;
222             }
223             _ => {
224                 return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
225             }
226         }
227 
228         return Ok(());
229     }
230 }
231 
232 /// @brief dev文件i节点(锁)
233 #[derive(Debug)]
234 pub struct LockedDevFSInode(SpinLock<DevFSInode>);
235 
236 /// @brief dev文件i节点(无锁)
237 #[derive(Debug)]
238 pub struct DevFSInode {
239     /// 指向父Inode的弱引用
240     parent: Weak<LockedDevFSInode>,
241     /// 指向自身的弱引用
242     self_ref: Weak<LockedDevFSInode>,
243     /// 子Inode的B树
244     children: BTreeMap<String, Arc<dyn IndexNode>>,
245     /// 指向inode所在的文件系统对象的指针
246     fs: Weak<DevFS>,
247     /// INode 元数据
248     metadata: Metadata,
249 }
250 
251 impl DevFSInode {
252     pub fn new(dev_type_: FileType, mode: ModeType, data_: usize) -> Self {
253         return Self::new_with_parent(Weak::default(), dev_type_, mode, data_);
254     }
255 
256     pub fn new_with_parent(
257         parent: Weak<LockedDevFSInode>,
258         dev_type_: FileType,
259         mode: ModeType,
260         data_: usize,
261     ) -> Self {
262         return DevFSInode {
263             parent,
264             self_ref: Weak::default(),
265             children: BTreeMap::new(),
266             metadata: Metadata {
267                 dev_id: 1,
268                 inode_id: generate_inode_id(),
269                 size: 0,
270                 blk_size: 0,
271                 blocks: 0,
272                 atime: TimeSpec::default(),
273                 mtime: TimeSpec::default(),
274                 ctime: TimeSpec::default(),
275                 file_type: dev_type_, // 文件夹
276                 mode,
277                 nlinks: 1,
278                 uid: 0,
279                 gid: 0,
280                 raw_dev: DeviceNumber::from(data_ as u32),
281             },
282             fs: Weak::default(),
283         };
284     }
285 }
286 
287 impl LockedDevFSInode {
288     pub fn add_dir(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
289         let guard: SpinLockGuard<DevFSInode> = self.0.lock();
290 
291         if guard.children.contains_key(name) {
292             return Err(SystemError::EEXIST);
293         }
294 
295         match self.do_create_with_data(
296             guard,
297             name,
298             FileType::Dir,
299             ModeType::from_bits_truncate(0o755),
300             0,
301         ) {
302             Ok(inode) => inode,
303             Err(err) => {
304                 return Err(err);
305             }
306         };
307 
308         return Ok(());
309     }
310 
311     pub fn add_dev(&self, name: &str, dev: Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
312         let mut this = self.0.lock();
313 
314         if this.children.contains_key(name) {
315             return Err(SystemError::EEXIST);
316         }
317 
318         this.children.insert(name.to_string(), dev);
319         return Ok(());
320     }
321 
322     pub fn remove(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
323         let x = self
324             .0
325             .lock()
326             .children
327             .remove(name)
328             .ok_or(SystemError::ENOENT)?;
329 
330         drop(x);
331         return Ok(());
332     }
333 
334     fn do_create_with_data(
335         &self,
336         mut guard: SpinLockGuard<DevFSInode>,
337         name: &str,
338         file_type: FileType,
339         mode: ModeType,
340         data: usize,
341     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
342         if guard.metadata.file_type != FileType::Dir {
343             return Err(SystemError::ENOTDIR);
344         }
345 
346         // 如果有重名的,则返回
347         if guard.children.contains_key(name) {
348             return Err(SystemError::EEXIST);
349         }
350 
351         // 创建inode
352         let result: Arc<LockedDevFSInode> = Arc::new(LockedDevFSInode(SpinLock::new(DevFSInode {
353             parent: guard.self_ref.clone(),
354             self_ref: Weak::default(),
355             children: BTreeMap::new(),
356             metadata: Metadata {
357                 dev_id: 0,
358                 inode_id: generate_inode_id(),
359                 size: 0,
360                 blk_size: 0,
361                 blocks: 0,
362                 atime: TimeSpec::default(),
363                 mtime: TimeSpec::default(),
364                 ctime: TimeSpec::default(),
365                 file_type,
366                 mode,
367                 nlinks: 1,
368                 uid: 0,
369                 gid: 0,
370                 raw_dev: DeviceNumber::from(data as u32),
371             },
372             fs: guard.fs.clone(),
373         })));
374 
375         // 初始化inode的自引用的weak指针
376         result.0.lock().self_ref = Arc::downgrade(&result);
377 
378         // 将子inode插入父inode的B树中
379         guard.children.insert(String::from(name), result.clone());
380         return Ok(result);
381     }
382 }
383 
384 impl IndexNode for LockedDevFSInode {
385     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
386         self
387     }
388 
389     fn open(
390         &self,
391         _data: &mut super::vfs::FilePrivateData,
392         _mode: &FileMode,
393     ) -> Result<(), SystemError> {
394         return Ok(());
395     }
396 
397     fn close(&self, _data: &mut super::vfs::FilePrivateData) -> Result<(), SystemError> {
398         return Ok(());
399     }
400 
401     fn create_with_data(
402         &self,
403         name: &str,
404         file_type: FileType,
405         mode: ModeType,
406         data: usize,
407     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
408         // 获取当前inode
409         let guard: SpinLockGuard<DevFSInode> = self.0.lock();
410         // 如果当前inode不是文件夹,则返回
411         return self.do_create_with_data(guard, name, file_type, mode, data);
412     }
413 
414     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
415         let inode = self.0.lock();
416 
417         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
418             return Err(SystemError::ENOTDIR);
419         }
420 
421         match name {
422             "" | "." => {
423                 return Ok(inode.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
424             }
425             ".." => {
426                 return Ok(inode.parent.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
427             }
428             name => {
429                 // 在子目录项中查找
430                 return Ok(inode.children.get(name).ok_or(SystemError::ENOENT)?.clone());
431             }
432         }
433     }
434 
435     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
436         return self.0.lock().fs.upgrade().unwrap();
437     }
438 
439     fn get_entry_name(&self, ino: super::vfs::InodeId) -> Result<String, SystemError> {
440         let inode: SpinLockGuard<DevFSInode> = self.0.lock();
441         if inode.metadata.file_type != FileType::Dir {
442             return Err(SystemError::ENOTDIR);
443         }
444 
445         match ino.into() {
446             0 => {
447                 return Ok(String::from("."));
448             }
449             1 => {
450                 return Ok(String::from(".."));
451             }
452             ino => {
453                 // 暴力遍历所有的children,判断inode id是否相同
454                 // TODO: 优化这里,这个地方性能很差!
455                 let mut key: Vec<String> = inode
456                     .children
457                     .keys()
458                     .filter(|k| {
459                         inode
460                             .children
461                             .get(*k)
462                             .unwrap()
463                             .metadata()
464                             .unwrap()
465                             .inode_id
466                             .into()
467                             == ino
468                     })
469                     .cloned()
470                     .collect();
471 
472                 match key.len() {
473                     0=>{return Err(SystemError::ENOENT);}
474                     1=>{return Ok(key.remove(0));}
475                     _ => panic!("Devfs 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)
476                 }
477             }
478         }
479     }
480 
481     fn ioctl(
482         &self,
483         _cmd: u32,
484         _data: usize,
485         _private_data: &FilePrivateData,
486     ) -> Result<usize, SystemError> {
487         Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP)
488     }
489 
490     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
491         let info = self.metadata()?;
492         if info.file_type != FileType::Dir {
493             return Err(SystemError::ENOTDIR);
494         }
495 
496         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
497         keys.push(String::from("."));
498         keys.push(String::from(".."));
499         keys.append(&mut self.0.lock().children.keys().cloned().collect());
500 
501         return Ok(keys);
502     }
503 
504     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
505         return Ok(self.0.lock().metadata.clone());
506     }
507 
508     fn set_metadata(&self, metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
509         let mut inode = self.0.lock();
510         inode.metadata.atime = metadata.atime;
511         inode.metadata.mtime = metadata.mtime;
512         inode.metadata.ctime = metadata.ctime;
513         inode.metadata.mode = metadata.mode;
514         inode.metadata.uid = metadata.uid;
515         inode.metadata.gid = metadata.gid;
516 
517         return Ok(());
518     }
519 
520     /// 读设备 - 应该调用设备的函数读写,而不是通过文件系统读写
521     fn read_at(
522         &self,
523         _offset: usize,
524         _len: usize,
525         _buf: &mut [u8],
526         _data: &mut super::vfs::file::FilePrivateData,
527     ) -> Result<usize, SystemError> {
528         kerror!("DevFS: read_at is not supported!");
529         Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP)
530     }
531 
532     /// 写设备 - 应该调用设备的函数读写,而不是通过文件系统读写
533     fn write_at(
534         &self,
535         _offset: usize,
536         _len: usize,
537         _buf: &[u8],
538         _data: &mut super::vfs::file::FilePrivateData,
539     ) -> Result<usize, SystemError> {
540         Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP)
541     }
542 }
543 
544 /// @brief 所有的设备INode都需要额外实现这个trait
545 pub trait DeviceINode: IndexNode {
546     fn set_fs(&self, fs: Weak<DevFS>);
547     // TODO: 增加 unregister 方法
548 }
549 
550 /// @brief 获取devfs实例的强类型不可变引用
551 macro_rules! devfs_exact_ref {
552     () => {{
553         let devfs_inode: Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> = ROOT_INODE().find("dev");
554         if let Err(e) = devfs_inode {
555             kerror!("failed to get DevFS ref. errcode = {:?}", e);
556             return Err(SystemError::ENOENT);
557         }
558 
559         let binding = devfs_inode.unwrap();
560         let devfs_inode: &LockedDevFSInode = binding
561             .as_any_ref()
562             .downcast_ref::<LockedDevFSInode>()
563             .unwrap();
564         let binding = devfs_inode.fs();
565         binding
566     }
567     .as_any_ref()
568     .downcast_ref::<DevFS>()
569     .unwrap()};
570 }
571 /// @brief devfs的设备注册函数
572 pub fn devfs_register<T: DeviceINode>(name: &str, device: Arc<T>) -> Result<(), SystemError> {
573     return devfs_exact_ref!().register_device(name, device);
574 }
575 
576 /// @brief devfs的设备卸载函数
577 #[allow(dead_code)]
578 pub fn devfs_unregister<T: DeviceINode>(name: &str, device: Arc<T>) -> Result<(), SystemError> {
579     return devfs_exact_ref!().unregister_device(name, device);
580 }
581 
582 pub fn devfs_init() -> Result<(), SystemError> {
583     static INIT: Once = Once::new();
584     let mut result = None;
585     INIT.call_once(|| {
586         kinfo!("Initializing DevFS...");
587         // 创建 devfs 实例
588         let devfs: Arc<DevFS> = DevFS::new();
589         // devfs 挂载
590         let _t = ROOT_INODE()
591             .find("dev")
592             .expect("Cannot find /dev")
593             .mount(devfs)
594             .expect("Failed to mount devfs");
595         kinfo!("DevFS mounted.");
596         result = Some(Ok(()));
597     });
598 
599     return result.unwrap();
600 }
601