xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/kernfs/mod.rs (revision 56cc4dbe27e132aac5c61b8bd4f4ec9a223b49ee)
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 system_error::SystemError;
10 
11 use crate::{
12     driver::base::device::device_number::DeviceNumber,
13     libs::{
14         casting::DowncastArc,
15         rwlock::RwLock,
16         spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
17     },
18     time::TimeSpec,
19 };
20 
21 use self::callback::{KernCallbackData, KernFSCallback, KernInodePrivateData};
22 
23 use super::vfs::{
24     core::generate_inode_id, file::FileMode, syscall::ModeType, FilePrivateData, FileSystem,
25     FileType, FsInfo, IndexNode, InodeId, Magic, Metadata, SuperBlock,
26 };
27 
28 pub mod callback;
29 
30 #[derive(Debug)]
31 pub struct KernFS {
32     root_inode: Arc<KernFSInode>,
33 }
34 
35 impl FileSystem for KernFS {
36     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
37         self
38     }
39 
40     fn info(&self) -> FsInfo {
41         return FsInfo {
42             blk_dev_id: 0,
43             max_name_len: KernFS::MAX_NAMELEN,
44         };
45     }
46 
47     fn root_inode(&self) -> Arc<dyn IndexNode> {
48         return self.root_inode.clone();
49     }
50 
51     fn name(&self) -> &str {
52         "kernfs"
53     }
54 
55     fn super_block(&self) -> SuperBlock {
56         SuperBlock::new(
57             Magic::KER_MAGIC,
58             KernFS::KERNFS_BLOCK_SIZE,
59             KernFS::MAX_NAMELEN as u64,
60         )
61     }
62 }
63 
64 impl KernFS {
65     pub const MAX_NAMELEN: usize = 4096;
66     pub const KERNFS_BLOCK_SIZE: u64 = 512;
67     #[allow(dead_code)]
68     pub fn new() -> Arc<Self> {
69         let root_inode = Self::create_root_inode();
70         let fs = Arc::new(Self {
71             root_inode: root_inode.clone(),
72         });
73 
74         {
75             let ptr = root_inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
76             unsafe {
77                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&root_inode);
78             }
79         }
80         root_inode.inner.write().parent = Arc::downgrade(&root_inode);
81         *root_inode.fs.write() = Arc::downgrade(&fs);
82         return fs;
83     }
84 
85     fn create_root_inode() -> Arc<KernFSInode> {
86         let metadata = Metadata {
87             size: 0,
88             mode: ModeType::from_bits_truncate(0o755),
89             uid: 0,
90             gid: 0,
91             blk_size: 0,
92             blocks: 0,
93             atime: TimeSpec::new(0, 0),
94             mtime: TimeSpec::new(0, 0),
95             ctime: TimeSpec::new(0, 0),
96             dev_id: 0,
97             inode_id: generate_inode_id(),
98             file_type: FileType::Dir,
99             nlinks: 1,
100             raw_dev: DeviceNumber::default(),
101         };
102         let root_inode = Arc::new(KernFSInode {
103             name: String::from(""),
104             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
105                 parent: Weak::new(),
106                 metadata,
107                 symlink_target: None,
108                 symlink_target_absolute_path: None,
109             }),
110             self_ref: Weak::new(),
111             fs: RwLock::new(Weak::new()),
112             private_data: SpinLock::new(None),
113             callback: None,
114             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
115             inode_type: KernInodeType::Dir,
116         });
117 
118         return root_inode;
119     }
120 }
121 
122 #[derive(Debug)]
123 pub struct KernFSInode {
124     inner: RwLock<InnerKernFSInode>,
125     /// 指向当前Inode所属的文件系统的弱引用
126     fs: RwLock<Weak<KernFS>>,
127     /// 指向自身的弱引用
128     self_ref: Weak<KernFSInode>,
129     /// 私有数据
130     private_data: SpinLock<Option<KernInodePrivateData>>,
131     /// 回调函数
132     callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
133     /// 子Inode
134     children: SpinLock<HashMap<String, Arc<KernFSInode>>>,
135     /// Inode类型
136     inode_type: KernInodeType,
137     /// Inode名称
138     name: String,
139 }
140 
141 #[derive(Debug)]
142 pub struct InnerKernFSInode {
143     parent: Weak<KernFSInode>,
144 
145     /// 当前inode的元数据
146     metadata: Metadata,
147     /// 符号链接指向的inode(仅当inode_type为SymLink时有效)
148     symlink_target: Option<Weak<KernFSInode>>,
149     symlink_target_absolute_path: Option<String>,
150 }
151 
152 impl IndexNode for KernFSInode {
153     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
154         self
155     }
156 
157     fn open(&self, _data: &mut FilePrivateData, _mode: &FileMode) -> Result<(), SystemError> {
158         if let Some(callback) = self.callback {
159             let callback_data =
160                 KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
161             return callback.open(callback_data);
162         }
163 
164         return Ok(());
165     }
166 
167     fn close(&self, _data: &mut FilePrivateData) -> Result<(), SystemError> {
168         return Ok(());
169     }
170 
171     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
172         return Ok(self.inner.read().metadata.clone());
173     }
174 
175     fn set_metadata(&self, _metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
176         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
177         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
178     }
179 
180     fn resize(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
181         return Ok(());
182     }
183 
184     fn create_with_data(
185         &self,
186         _name: &str,
187         _file_type: FileType,
188         _mode: ModeType,
189         _data: usize,
190     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
191         // 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。
192         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
193     }
194 
195     fn link(&self, _name: &str, _other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
196         // 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。
197         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
198     }
199 
200     fn unlink(&self, _name: &str) -> 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::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
203     }
204 
205     fn rmdir(&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::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
208     }
209 
210     fn move_to(
211         &self,
212         _old_name: &str,
213         _target: &Arc<dyn IndexNode>,
214         _new_name: &str,
215     ) -> Result<(), SystemError> {
216         // 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。
217         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
218     }
219 
220     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
221         if unlikely(name.len() > KernFS::MAX_NAMELEN) {
222             return Err(SystemError::ENAMETOOLONG);
223         }
224         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
225             return Err(SystemError::ENOTDIR);
226         }
227         match name {
228             "" | "." => {
229                 return Ok(self.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
230             }
231 
232             ".." => {
233                 return Ok(self
234                     .inner
235                     .read()
236                     .parent
237                     .upgrade()
238                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?);
239             }
240             name => {
241                 // 在子目录项中查找
242                 return Ok(self
243                     .children
244                     .lock()
245                     .get(name)
246                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?
247                     .clone());
248             }
249         }
250     }
251 
252     fn get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError> {
253         if self.inode_type != KernInodeType::Dir {
254             return Err(SystemError::ENOTDIR);
255         }
256 
257         let children = self.children.lock();
258         let r = children
259             .iter()
260             .find(|(_, v)| v.metadata().unwrap().inode_id == ino)
261             .map(|(k, _)| k.clone());
262 
263         return r.ok_or(SystemError::ENOENT);
264     }
265 
266     fn get_entry_name_and_metadata(&self, ino: InodeId) -> Result<(String, Metadata), SystemError> {
267         // 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。
268         let name = self.get_entry_name(ino)?;
269         let entry = self.find(&name)?;
270         return Ok((name, entry.metadata()?));
271     }
272 
273     fn ioctl(
274         &self,
275         _cmd: u32,
276         _data: usize,
277         _private_data: &FilePrivateData,
278     ) -> Result<usize, SystemError> {
279         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
280         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
281     }
282 
283     fn truncate(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
284         // 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。
285         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
286     }
287 
288     fn sync(&self) -> Result<(), SystemError> {
289         return Ok(());
290     }
291 
292     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
293         return self.fs.read().upgrade().unwrap();
294     }
295 
296     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
297         let info = self.metadata()?;
298         if info.file_type != FileType::Dir {
299             return Err(SystemError::ENOTDIR);
300         }
301 
302         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
303         keys.push(String::from("."));
304         keys.push(String::from(".."));
305         self.children
306             .lock()
307             .keys()
308             .for_each(|x| keys.push(x.clone()));
309 
310         return Ok(keys);
311     }
312 
313     fn read_at(
314         &self,
315         offset: usize,
316         len: usize,
317         buf: &mut [u8],
318         _data: &mut FilePrivateData,
319     ) -> Result<usize, SystemError> {
320         if self.inode_type == KernInodeType::SymLink {
321             let inner = self.inner.read();
322             if offset >= inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() {
323                 return Ok(0);
324             }
325             let len = min(len, buf.len());
326             let len = min(
327                 len,
328                 inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() - offset,
329             );
330             buf[0..len].copy_from_slice(
331                 &inner
332                     .symlink_target_absolute_path
333                     .as_ref()
334                     .unwrap()
335                     .as_bytes()[offset..offset + len],
336             );
337             return Ok(len);
338         }
339         if self.inode_type != KernInodeType::File {
340             return Err(SystemError::EISDIR);
341         }
342 
343         if self.callback.is_none() {
344             kwarn!("kernfs: callback is none");
345             return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
346         }
347 
348         let callback_data =
349             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
350         return self
351             .callback
352             .as_ref()
353             .unwrap()
354             .read(callback_data, &mut buf[..len], offset);
355     }
356 
357     fn write_at(
358         &self,
359         offset: usize,
360         len: usize,
361         buf: &[u8],
362         _data: &mut FilePrivateData,
363     ) -> Result<usize, SystemError> {
364         if self.inode_type != KernInodeType::File {
365             return Err(SystemError::EISDIR);
366         }
367 
368         if self.callback.is_none() {
369             return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
370         }
371 
372         let callback_data =
373             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
374         return self
375             .callback
376             .as_ref()
377             .unwrap()
378             .write(callback_data, &buf[..len], offset);
379     }
380 
381     fn rename(&self, _old_name: &str, _new_name: &str) -> Result<(), SystemError> {
382         // 待实现
383         Err(SystemError::ENOSYS)
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: TimeSpec::new(0, 0),
526             mtime: TimeSpec::new(0, 0),
527             ctime: TimeSpec::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         // kdebug!("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