xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/kernfs/mod.rs (revision 013ffb708fab7760ea999c1edf462c69ac68f0ac)
1 use core::{cmp::min, fmt::Debug, intrinsics::unlikely};
2 
3 use alloc::{
4     string::String,
5     sync::{Arc, Weak},
6     vec::Vec,
7 };
8 use hashbrown::HashMap;
9 use log::warn;
10 use system_error::SystemError;
11 
12 use crate::{
13     driver::base::device::device_number::DeviceNumber,
14     libs::{
15         casting::DowncastArc,
16         rwlock::RwLock,
17         spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
18     },
19     time::PosixTimeSpec,
20 };
21 
22 use self::callback::{KernCallbackData, KernFSCallback, KernInodePrivateData};
23 
24 use super::vfs::{
25     core::generate_inode_id, file::FileMode, syscall::ModeType, FilePrivateData, FileSystem,
26     FileType, FsInfo, IndexNode, InodeId, Magic, Metadata, SuperBlock,
27 };
28 
29 pub mod callback;
30 
31 #[derive(Debug)]
32 pub struct KernFS {
33     root_inode: Arc<KernFSInode>,
34 }
35 
36 impl FileSystem for KernFS {
37     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
38         self
39     }
40 
41     fn info(&self) -> FsInfo {
42         return FsInfo {
43             blk_dev_id: 0,
44             max_name_len: KernFS::MAX_NAMELEN,
45         };
46     }
47 
48     fn root_inode(&self) -> Arc<dyn IndexNode> {
49         return self.root_inode.clone();
50     }
51 
52     fn name(&self) -> &str {
53         "kernfs"
54     }
55 
56     fn super_block(&self) -> SuperBlock {
57         SuperBlock::new(
58             Magic::KER_MAGIC,
59             KernFS::KERNFS_BLOCK_SIZE,
60             KernFS::MAX_NAMELEN as u64,
61         )
62     }
63 }
64 
65 impl KernFS {
66     pub const MAX_NAMELEN: usize = 4096;
67     pub const KERNFS_BLOCK_SIZE: u64 = 512;
68     #[allow(dead_code)]
69     pub fn new() -> Arc<Self> {
70         let root_inode = Self::create_root_inode();
71         let fs = Arc::new(Self {
72             root_inode: root_inode.clone(),
73         });
74 
75         {
76             let ptr = root_inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
77             unsafe {
78                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&root_inode);
79             }
80         }
81         root_inode.inner.write().parent = Arc::downgrade(&root_inode);
82         *root_inode.fs.write() = Arc::downgrade(&fs);
83         return fs;
84     }
85 
86     fn create_root_inode() -> Arc<KernFSInode> {
87         let metadata = Metadata {
88             size: 0,
89             mode: ModeType::from_bits_truncate(0o755),
90             uid: 0,
91             gid: 0,
92             blk_size: 0,
93             blocks: 0,
94             atime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
95             mtime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
96             ctime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
97             dev_id: 0,
98             inode_id: generate_inode_id(),
99             file_type: FileType::Dir,
100             nlinks: 1,
101             raw_dev: DeviceNumber::default(),
102         };
103         let root_inode = Arc::new(KernFSInode {
104             name: String::from(""),
105             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
106                 parent: Weak::new(),
107                 metadata,
108                 symlink_target: None,
109                 symlink_target_absolute_path: None,
110             }),
111             self_ref: Weak::new(),
112             fs: RwLock::new(Weak::new()),
113             private_data: SpinLock::new(None),
114             callback: None,
115             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
116             inode_type: KernInodeType::Dir,
117         });
118 
119         return root_inode;
120     }
121 }
122 
123 #[derive(Debug)]
124 pub struct KernFSInode {
125     inner: RwLock<InnerKernFSInode>,
126     /// 指向当前Inode所属的文件系统的弱引用
127     fs: RwLock<Weak<KernFS>>,
128     /// 指向自身的弱引用
129     self_ref: Weak<KernFSInode>,
130     /// 私有数据
131     private_data: SpinLock<Option<KernInodePrivateData>>,
132     /// 回调函数
133     callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
134     /// 子Inode
135     children: SpinLock<HashMap<String, Arc<KernFSInode>>>,
136     /// Inode类型
137     inode_type: KernInodeType,
138     /// Inode名称
139     name: String,
140 }
141 
142 #[derive(Debug)]
143 pub struct InnerKernFSInode {
144     parent: Weak<KernFSInode>,
145 
146     /// 当前inode的元数据
147     metadata: Metadata,
148     /// 符号链接指向的inode(仅当inode_type为SymLink时有效)
149     symlink_target: Option<Weak<KernFSInode>>,
150     symlink_target_absolute_path: Option<String>,
151 }
152 
153 impl IndexNode for KernFSInode {
154     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
155         self
156     }
157 
158     fn open(
159         &self,
160         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
161         _mode: &FileMode,
162     ) -> Result<(), SystemError> {
163         if let Some(callback) = self.callback {
164             let callback_data =
165                 KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
166             return callback.open(callback_data);
167         }
168 
169         return Ok(());
170     }
171 
172     fn close(&self, _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>) -> Result<(), SystemError> {
173         return Ok(());
174     }
175 
176     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
177         return Ok(self.inner.read().metadata.clone());
178     }
179 
180     fn set_metadata(&self, _metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
181         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
182         return Err(SystemError::ENOSYS);
183     }
184 
185     fn resize(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
186         return Ok(());
187     }
188 
189     fn create_with_data(
190         &self,
191         _name: &str,
192         _file_type: FileType,
193         _mode: ModeType,
194         _data: usize,
195     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
196         // 应当通过kernfs的其它方法来创建文件,而不能从用户态直接调用此方法。
197         return Err(SystemError::ENOSYS);
198     }
199 
200     fn link(&self, _name: &str, _other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
201         // 应当通过kernfs的其它方法来操作文件,而不能从用户态直接调用此方法。
202         return Err(SystemError::ENOSYS);
203     }
204 
205     fn unlink(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
206         // 应当通过kernfs的其它方法来操作文件,而不能从用户态直接调用此方法。
207         return Err(SystemError::ENOSYS);
208     }
209 
210     fn rmdir(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
211         // 应当通过kernfs的其它方法来操作文件,而不能从用户态直接调用此方法。
212         return Err(SystemError::ENOSYS);
213     }
214 
215     fn move_to(
216         &self,
217         _old_name: &str,
218         _target: &Arc<dyn IndexNode>,
219         _new_name: &str,
220     ) -> Result<(), SystemError> {
221         // 应当通过kernfs的其它方法来操作文件,而不能从用户态直接调用此方法。
222         return Err(SystemError::ENOSYS);
223     }
224 
225     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
226         if unlikely(name.len() > KernFS::MAX_NAMELEN) {
227             return Err(SystemError::ENAMETOOLONG);
228         }
229         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
230             return Err(SystemError::ENOTDIR);
231         }
232         match name {
233             "" | "." => {
234                 return Ok(self.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
235             }
236 
237             ".." => {
238                 return Ok(self
239                     .inner
240                     .read()
241                     .parent
242                     .upgrade()
243                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?);
244             }
245             name => {
246                 // 在子目录项中查找
247                 return Ok(self
248                     .children
249                     .lock()
250                     .get(name)
251                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?
252                     .clone());
253             }
254         }
255     }
256 
257     fn get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError> {
258         if self.inode_type != KernInodeType::Dir {
259             return Err(SystemError::ENOTDIR);
260         }
261 
262         let children = self.children.lock();
263         let r = children
264             .iter()
265             .find(|(_, v)| v.metadata().unwrap().inode_id == ino)
266             .map(|(k, _)| k.clone());
267 
268         return r.ok_or(SystemError::ENOENT);
269     }
270 
271     fn get_entry_name_and_metadata(&self, ino: InodeId) -> Result<(String, Metadata), SystemError> {
272         // 如果有条件,请在文件系统中使用高效的方式实现本接口,而不是依赖这个低效率的默认实现。
273         let name = self.get_entry_name(ino)?;
274         let entry = self.find(&name)?;
275         return Ok((name, entry.metadata()?));
276     }
277 
278     fn ioctl(
279         &self,
280         _cmd: u32,
281         _data: usize,
282         _private_data: &FilePrivateData,
283     ) -> Result<usize, SystemError> {
284         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
285         return Err(SystemError::ENOSYS);
286     }
287 
288     fn truncate(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
289         // 应当通过kernfs的其它方法来操作文件,而不能从用户态直接调用此方法。
290         return Err(SystemError::ENOSYS);
291     }
292 
293     fn sync(&self) -> Result<(), SystemError> {
294         return Ok(());
295     }
296 
297     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
298         return self.fs.read().upgrade().unwrap();
299     }
300 
301     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
302         let info = self.metadata()?;
303         if info.file_type != FileType::Dir {
304             return Err(SystemError::ENOTDIR);
305         }
306 
307         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
308         keys.push(String::from("."));
309         keys.push(String::from(".."));
310         self.children
311             .lock()
312             .keys()
313             .for_each(|x| keys.push(x.clone()));
314 
315         return Ok(keys);
316     }
317 
318     fn read_at(
319         &self,
320         offset: usize,
321         len: usize,
322         buf: &mut [u8],
323         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
324     ) -> Result<usize, SystemError> {
325         if self.inode_type == KernInodeType::SymLink {
326             let inner = self.inner.read();
327             if offset >= inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() {
328                 return Ok(0);
329             }
330             let len = min(len, buf.len());
331             let len = min(
332                 len,
333                 inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() - offset,
334             );
335             buf[0..len].copy_from_slice(
336                 &inner
337                     .symlink_target_absolute_path
338                     .as_ref()
339                     .unwrap()
340                     .as_bytes()[offset..offset + len],
341             );
342             return Ok(len);
343         }
344         if self.inode_type != KernInodeType::File {
345             return Err(SystemError::EISDIR);
346         }
347 
348         if self.callback.is_none() {
349             warn!("kernfs: callback is none");
350             return Err(SystemError::ENOSYS);
351         }
352 
353         let callback_data =
354             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
355         return self
356             .callback
357             .as_ref()
358             .unwrap()
359             .read(callback_data, &mut buf[..len], offset);
360     }
361 
362     fn write_at(
363         &self,
364         offset: usize,
365         len: usize,
366         buf: &[u8],
367         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
368     ) -> Result<usize, SystemError> {
369         if self.inode_type != KernInodeType::File {
370             return Err(SystemError::EISDIR);
371         }
372 
373         if self.callback.is_none() {
374             return Err(SystemError::ENOSYS);
375         }
376 
377         let callback_data =
378             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
379         return self
380             .callback
381             .as_ref()
382             .unwrap()
383             .write(callback_data, &buf[..len], offset);
384     }
385 }
386 
387 impl KernFSInode {
388     pub fn new(
389         parent: Option<Arc<KernFSInode>>,
390         name: String,
391         mut metadata: Metadata,
392         inode_type: KernInodeType,
393         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
394         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
395     ) -> Arc<KernFSInode> {
396         metadata.file_type = inode_type.into();
397         let parent: Weak<KernFSInode> = parent.map(|x| Arc::downgrade(&x)).unwrap_or_default();
398 
399         let inode = Arc::new(KernFSInode {
400             name,
401             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
402                 parent: parent.clone(),
403                 metadata,
404                 symlink_target: None,
405                 symlink_target_absolute_path: None,
406             }),
407             self_ref: Weak::new(),
408             fs: RwLock::new(Weak::new()),
409             private_data: SpinLock::new(private_data),
410             callback,
411             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
412             inode_type,
413         });
414 
415         {
416             let ptr = inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
417             unsafe {
418                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&inode);
419             }
420         }
421         if parent.strong_count() > 0 {
422             let kernfs = parent
423                 .upgrade()
424                 .unwrap()
425                 .fs()
426                 .downcast_arc::<KernFS>()
427                 .expect("KernFSInode::new: parent is not a KernFS instance");
428             *inode.fs.write() = Arc::downgrade(&kernfs);
429         }
430         return inode;
431     }
432 
433     /// 在当前inode下增加子目录
434     ///
435     /// ## 参数
436     ///
437     /// - `name`:子目录名称
438     /// - `mode`:子目录权限
439     /// - `private_data`:子目录私有数据
440     /// - `callback`:子目录回调函数
441     ///
442     /// ## 返回值
443     ///
444     /// - 成功:子目录inode
445     /// - 失败:错误码
446     #[allow(dead_code)]
447     #[inline]
448     pub fn add_dir(
449         &self,
450         name: String,
451         mode: ModeType,
452         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
453         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
454     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
455         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
456             return Err(SystemError::ENOTDIR);
457         }
458 
459         return self.inner_create(name, KernInodeType::Dir, mode, 0, private_data, callback);
460     }
461 
462     /// 在当前inode下增加文件
463     ///
464     /// ## 参数
465     ///
466     /// - `name`:文件名称
467     /// - `mode`:文件权限
468     /// - `size`:文件大小(如果不指定,则默认为4096)
469     /// - `private_data`:文件私有数据
470     /// - `callback`:文件回调函数
471     ///
472     ///
473     /// ## 返回值
474     ///
475     /// - 成功:文件inode
476     /// - 失败:错误码
477     #[allow(dead_code)]
478     #[inline]
479     pub fn add_file(
480         &self,
481         name: String,
482         mode: ModeType,
483         size: Option<usize>,
484         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
485         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
486     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
487         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
488             return Err(SystemError::ENOTDIR);
489         }
490 
491         let size = size.unwrap_or(4096);
492         return self.inner_create(
493             name,
494             KernInodeType::File,
495             mode,
496             size,
497             private_data,
498             callback,
499         );
500     }
501 
502     fn inner_create(
503         &self,
504         name: String,
505         file_type: KernInodeType,
506         mode: ModeType,
507         mut size: usize,
508         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
509         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
510     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
511         match file_type {
512             KernInodeType::Dir | KernInodeType::SymLink => {
513                 size = 0;
514             }
515             _ => {}
516         }
517 
518         let metadata = Metadata {
519             size: size as i64,
520             mode,
521             uid: 0,
522             gid: 0,
523             blk_size: 0,
524             blocks: 0,
525             atime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
526             mtime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
527             ctime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
528             dev_id: 0,
529             inode_id: generate_inode_id(),
530             file_type: file_type.into(),
531             nlinks: 1,
532             raw_dev: DeviceNumber::default(),
533         };
534 
535         let new_inode: Arc<KernFSInode> = Self::new(
536             Some(self.self_ref.upgrade().unwrap()),
537             name.clone(),
538             metadata,
539             file_type,
540             private_data,
541             callback,
542         );
543 
544         self.children.lock().insert(name, new_inode.clone());
545 
546         return Ok(new_inode);
547     }
548 
549     /// 在当前inode下删除子目录或者文件
550     ///
551     /// 如果要删除的是子目录,且子目录不为空,则返回ENOTEMPTY
552     ///
553     /// ## 参数
554     ///
555     /// - `name`:子目录或者文件名称
556     ///
557     /// ## 返回值
558     ///
559     /// - 成功:()
560     /// - 失败:错误码
561     #[allow(dead_code)]
562     pub fn remove(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
563         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
564             return Err(SystemError::ENOTDIR);
565         }
566 
567         let mut children = self.children.lock();
568         let inode = children.get(name).ok_or(SystemError::ENOENT)?;
569         if inode.children.lock().is_empty() {
570             children.remove(name);
571             return Ok(());
572         } else {
573             return Err(SystemError::ENOTEMPTY);
574         }
575     }
576 
577     /// add_link - create a symlink in kernfs
578     ///
579     /// ## 参数
580     ///
581     /// - `parent`: directory to create the symlink in
582     /// - `name`: name of the symlink
583     /// - `target`: target node for the symlink to point to
584     ///
585     /// Returns the created node on success
586     ///
587     /// 参考 https://code.dragonos.org.cn/xref/linux-6.1.9/fs/kernfs/symlink.c#25
588     pub fn add_link(
589         &self,
590         name: String,
591         target: &Arc<KernFSInode>,
592         target_absolute_path: String,
593     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
594         // debug!("kernfs add link: name:{name}, target path={target_absolute_path}");
595         let inode = self.inner_create(
596             name,
597             KernInodeType::SymLink,
598             ModeType::S_IFLNK | ModeType::from_bits_truncate(0o777),
599             0,
600             None,
601             None,
602         )?;
603 
604         inode.inner.write().symlink_target = Some(Arc::downgrade(target));
605         inode.inner.write().symlink_target_absolute_path = Some(target_absolute_path);
606         return Ok(inode);
607     }
608 
609     pub fn name(&self) -> &str {
610         return &self.name;
611     }
612 
613     pub fn parent(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
614         return self.inner.read().parent.upgrade();
615     }
616 
617     pub fn private_data_mut(&self) -> SpinLockGuard<Option<KernInodePrivateData>> {
618         return self.private_data.lock();
619     }
620 
621     #[allow(dead_code)]
622     pub fn symlink_target(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
623         return self.inner.read().symlink_target.as_ref()?.upgrade();
624     }
625 
626     /// remove a kernfs_node recursively
627     pub fn remove_recursive(&self) {
628         let mut children = self.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>();
629         while let Some((_, child)) = children.pop() {
630             children.append(&mut child.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>());
631         }
632     }
633 
634     /// 删除当前的inode(包括其自身、子目录和子文件)
635     #[allow(dead_code)]
636     pub fn remove_inode_include_self(&self) {
637         let parent = self.parent();
638         if let Some(parent) = parent {
639             parent.children.lock().remove(self.name());
640         }
641         self.remove_recursive();
642     }
643 }
644 #[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
645 pub enum KernInodeType {
646     Dir,
647     File,
648     SymLink,
649 }
650 
651 impl From<KernInodeType> for FileType {
652     fn from(val: KernInodeType) -> Self {
653         match val {
654             KernInodeType::Dir => FileType::Dir,
655             KernInodeType::File => FileType::File,
656             KernInodeType::SymLink => FileType::SymLink,
657         }
658     }
659 }
660