xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/kernfs/mod.rs (revision 7162a8358d94c7799dd2b5300192b6a794b23d79)
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::PosixTimeSpec,
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: PosixTimeSpec::new(0, 0),
94             mtime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
95             ctime: PosixTimeSpec::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(
158         &self,
159         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
160         _mode: &FileMode,
161     ) -> Result<(), SystemError> {
162         if let Some(callback) = self.callback {
163             let callback_data =
164                 KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
165             return callback.open(callback_data);
166         }
167 
168         return Ok(());
169     }
170 
171     fn close(&self, _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>) -> Result<(), SystemError> {
172         return Ok(());
173     }
174 
175     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
176         return Ok(self.inner.read().metadata.clone());
177     }
178 
179     fn set_metadata(&self, _metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
180         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
181         return Err(SystemError::ENOSYS);
182     }
183 
184     fn resize(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
185         return Ok(());
186     }
187 
188     fn create_with_data(
189         &self,
190         _name: &str,
191         _file_type: FileType,
192         _mode: ModeType,
193         _data: usize,
194     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
195         // 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。
196         return Err(SystemError::ENOSYS);
197     }
198 
199     fn link(&self, _name: &str, _other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
200         // 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。
201         return Err(SystemError::ENOSYS);
202     }
203 
204     fn unlink(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
205         // 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。
206         return Err(SystemError::ENOSYS);
207     }
208 
209     fn rmdir(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
210         // 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。
211         return Err(SystemError::ENOSYS);
212     }
213 
214     fn move_to(
215         &self,
216         _old_name: &str,
217         _target: &Arc<dyn IndexNode>,
218         _new_name: &str,
219     ) -> Result<(), SystemError> {
220         // 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。
221         return Err(SystemError::ENOSYS);
222     }
223 
224     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
225         if unlikely(name.len() > KernFS::MAX_NAMELEN) {
226             return Err(SystemError::ENAMETOOLONG);
227         }
228         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
229             return Err(SystemError::ENOTDIR);
230         }
231         match name {
232             "" | "." => {
233                 return Ok(self.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
234             }
235 
236             ".." => {
237                 return Ok(self
238                     .inner
239                     .read()
240                     .parent
241                     .upgrade()
242                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?);
243             }
244             name => {
245                 // 在子目录项中查找
246                 return Ok(self
247                     .children
248                     .lock()
249                     .get(name)
250                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?
251                     .clone());
252             }
253         }
254     }
255 
256     fn get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError> {
257         if self.inode_type != KernInodeType::Dir {
258             return Err(SystemError::ENOTDIR);
259         }
260 
261         let children = self.children.lock();
262         let r = children
263             .iter()
264             .find(|(_, v)| v.metadata().unwrap().inode_id == ino)
265             .map(|(k, _)| k.clone());
266 
267         return r.ok_or(SystemError::ENOENT);
268     }
269 
270     fn get_entry_name_and_metadata(&self, ino: InodeId) -> Result<(String, Metadata), SystemError> {
271         // 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。
272         let name = self.get_entry_name(ino)?;
273         let entry = self.find(&name)?;
274         return Ok((name, entry.metadata()?));
275     }
276 
277     fn ioctl(
278         &self,
279         _cmd: u32,
280         _data: usize,
281         _private_data: &FilePrivateData,
282     ) -> Result<usize, SystemError> {
283         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
284         return Err(SystemError::ENOSYS);
285     }
286 
287     fn truncate(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
288         // 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。
289         return Err(SystemError::ENOSYS);
290     }
291 
292     fn sync(&self) -> Result<(), SystemError> {
293         return Ok(());
294     }
295 
296     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
297         return self.fs.read().upgrade().unwrap();
298     }
299 
300     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
301         let info = self.metadata()?;
302         if info.file_type != FileType::Dir {
303             return Err(SystemError::ENOTDIR);
304         }
305 
306         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
307         keys.push(String::from("."));
308         keys.push(String::from(".."));
309         self.children
310             .lock()
311             .keys()
312             .for_each(|x| keys.push(x.clone()));
313 
314         return Ok(keys);
315     }
316 
317     fn read_at(
318         &self,
319         offset: usize,
320         len: usize,
321         buf: &mut [u8],
322         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
323     ) -> Result<usize, SystemError> {
324         if self.inode_type == KernInodeType::SymLink {
325             let inner = self.inner.read();
326             if offset >= inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() {
327                 return Ok(0);
328             }
329             let len = min(len, buf.len());
330             let len = min(
331                 len,
332                 inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() - offset,
333             );
334             buf[0..len].copy_from_slice(
335                 &inner
336                     .symlink_target_absolute_path
337                     .as_ref()
338                     .unwrap()
339                     .as_bytes()[offset..offset + len],
340             );
341             return Ok(len);
342         }
343         if self.inode_type != KernInodeType::File {
344             return Err(SystemError::EISDIR);
345         }
346 
347         if self.callback.is_none() {
348             kwarn!("kernfs: callback is none");
349             return Err(SystemError::ENOSYS);
350         }
351 
352         let callback_data =
353             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
354         return self
355             .callback
356             .as_ref()
357             .unwrap()
358             .read(callback_data, &mut buf[..len], offset);
359     }
360 
361     fn write_at(
362         &self,
363         offset: usize,
364         len: usize,
365         buf: &[u8],
366         _data: SpinLockGuard<FilePrivateData>,
367     ) -> Result<usize, SystemError> {
368         if self.inode_type != KernInodeType::File {
369             return Err(SystemError::EISDIR);
370         }
371 
372         if self.callback.is_none() {
373             return Err(SystemError::ENOSYS);
374         }
375 
376         let callback_data =
377             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
378         return self
379             .callback
380             .as_ref()
381             .unwrap()
382             .write(callback_data, &buf[..len], offset);
383     }
384 }
385 
386 impl KernFSInode {
387     pub fn new(
388         parent: Option<Arc<KernFSInode>>,
389         name: String,
390         mut metadata: Metadata,
391         inode_type: KernInodeType,
392         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
393         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
394     ) -> Arc<KernFSInode> {
395         metadata.file_type = inode_type.into();
396         let parent: Weak<KernFSInode> = parent.map(|x| Arc::downgrade(&x)).unwrap_or_default();
397 
398         let inode = Arc::new(KernFSInode {
399             name,
400             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
401                 parent: parent.clone(),
402                 metadata,
403                 symlink_target: None,
404                 symlink_target_absolute_path: None,
405             }),
406             self_ref: Weak::new(),
407             fs: RwLock::new(Weak::new()),
408             private_data: SpinLock::new(private_data),
409             callback,
410             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
411             inode_type,
412         });
413 
414         {
415             let ptr = inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
416             unsafe {
417                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&inode);
418             }
419         }
420         if parent.strong_count() > 0 {
421             let kernfs = parent
422                 .upgrade()
423                 .unwrap()
424                 .fs()
425                 .downcast_arc::<KernFS>()
426                 .expect("KernFSInode::new: parent is not a KernFS instance");
427             *inode.fs.write() = Arc::downgrade(&kernfs);
428         }
429         return inode;
430     }
431 
432     /// 在当前inode下增加子目录
433     ///
434     /// ## 参数
435     ///
436     /// - `name`:子目录名称
437     /// - `mode`:子目录权限
438     /// - `private_data`:子目录私有数据
439     /// - `callback`:子目录回调函数
440     ///
441     /// ## 返回值
442     ///
443     /// - 成功:子目录inode
444     /// - 失败:错误码
445     #[allow(dead_code)]
446     #[inline]
447     pub fn add_dir(
448         &self,
449         name: String,
450         mode: ModeType,
451         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
452         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
453     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
454         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
455             return Err(SystemError::ENOTDIR);
456         }
457 
458         return self.inner_create(name, KernInodeType::Dir, mode, 0, private_data, callback);
459     }
460 
461     /// 在当前inode下增加文件
462     ///
463     /// ## 参数
464     ///
465     /// - `name`:文件名称
466     /// - `mode`:文件权限
467     /// - `size`:文件大小(如果不指定,则默认为4096)
468     /// - `private_data`:文件私有数据
469     /// - `callback`:文件回调函数
470     ///
471     ///
472     /// ## 返回值
473     ///
474     /// - 成功:文件inode
475     /// - 失败:错误码
476     #[allow(dead_code)]
477     #[inline]
478     pub fn add_file(
479         &self,
480         name: String,
481         mode: ModeType,
482         size: Option<usize>,
483         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
484         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
485     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
486         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
487             return Err(SystemError::ENOTDIR);
488         }
489 
490         let size = size.unwrap_or(4096);
491         return self.inner_create(
492             name,
493             KernInodeType::File,
494             mode,
495             size,
496             private_data,
497             callback,
498         );
499     }
500 
501     fn inner_create(
502         &self,
503         name: String,
504         file_type: KernInodeType,
505         mode: ModeType,
506         mut size: usize,
507         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
508         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
509     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
510         match file_type {
511             KernInodeType::Dir | KernInodeType::SymLink => {
512                 size = 0;
513             }
514             _ => {}
515         }
516 
517         let metadata = Metadata {
518             size: size as i64,
519             mode,
520             uid: 0,
521             gid: 0,
522             blk_size: 0,
523             blocks: 0,
524             atime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
525             mtime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
526             ctime: PosixTimeSpec::new(0, 0),
527             dev_id: 0,
528             inode_id: generate_inode_id(),
529             file_type: file_type.into(),
530             nlinks: 1,
531             raw_dev: DeviceNumber::default(),
532         };
533 
534         let new_inode: Arc<KernFSInode> = Self::new(
535             Some(self.self_ref.upgrade().unwrap()),
536             name.clone(),
537             metadata,
538             file_type,
539             private_data,
540             callback,
541         );
542 
543         self.children.lock().insert(name, new_inode.clone());
544 
545         return Ok(new_inode);
546     }
547 
548     /// 在当前inode下删除子目录或者文件
549     ///
550     /// 如果要删除的是子目录,且子目录不为空,则返回ENOTEMPTY
551     ///
552     /// ## 参数
553     ///
554     /// - `name`:子目录或者文件名称
555     ///
556     /// ## 返回值
557     ///
558     /// - 成功:()
559     /// - 失败:错误码
560     #[allow(dead_code)]
561     pub fn remove(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
562         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
563             return Err(SystemError::ENOTDIR);
564         }
565 
566         let mut children = self.children.lock();
567         let inode = children.get(name).ok_or(SystemError::ENOENT)?;
568         if inode.children.lock().is_empty() {
569             children.remove(name);
570             return Ok(());
571         } else {
572             return Err(SystemError::ENOTEMPTY);
573         }
574     }
575 
576     /// add_link - create a symlink in kernfs
577     ///
578     /// ## 参数
579     ///
580     /// - `parent`: directory to create the symlink in
581     /// - `name`: name of the symlink
582     /// - `target`: target node for the symlink to point to
583     ///
584     /// Returns the created node on success
585     ///
586     /// 参考 https://code.dragonos.org.cn/xref/linux-6.1.9/fs/kernfs/symlink.c#25
587     pub fn add_link(
588         &self,
589         name: String,
590         target: &Arc<KernFSInode>,
591         target_absolute_path: String,
592     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
593         // kdebug!("kernfs add link: name:{name}, target path={target_absolute_path}");
594         let inode = self.inner_create(
595             name,
596             KernInodeType::SymLink,
597             ModeType::S_IFLNK | ModeType::from_bits_truncate(0o777),
598             0,
599             None,
600             None,
601         )?;
602 
603         inode.inner.write().symlink_target = Some(Arc::downgrade(target));
604         inode.inner.write().symlink_target_absolute_path = Some(target_absolute_path);
605         return Ok(inode);
606     }
607 
608     pub fn name(&self) -> &str {
609         return &self.name;
610     }
611 
612     pub fn parent(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
613         return self.inner.read().parent.upgrade();
614     }
615 
616     pub fn private_data_mut(&self) -> SpinLockGuard<Option<KernInodePrivateData>> {
617         return self.private_data.lock();
618     }
619 
620     #[allow(dead_code)]
621     pub fn symlink_target(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
622         return self.inner.read().symlink_target.as_ref()?.upgrade();
623     }
624 
625     /// remove a kernfs_node recursively
626     pub fn remove_recursive(&self) {
627         let mut children = self.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>();
628         while let Some((_, child)) = children.pop() {
629             children.append(&mut child.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>());
630         }
631     }
632 
633     /// 删除当前的inode(包括其自身、子目录和子文件)
634     #[allow(dead_code)]
635     pub fn remove_inode_include_self(&self) {
636         let parent = self.parent();
637         if let Some(parent) = parent {
638             parent.children.lock().remove(self.name());
639         }
640         self.remove_recursive();
641     }
642 }
643 #[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
644 pub enum KernInodeType {
645     Dir,
646     File,
647     SymLink,
648 }
649 
650 impl From<KernInodeType> for FileType {
651     fn from(val: KernInodeType) -> Self {
652         match val {
653             KernInodeType::Dir => FileType::Dir,
654             KernInodeType::File => FileType::File,
655             KernInodeType::SymLink => FileType::SymLink,
656         }
657     }
658 }
659