xref: /DragonOS/kernel/src/filesystem/kernfs/mod.rs (revision d46c6d27941a26de14f55a2bbf956219bcc70871)
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, Metadata,
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 
52 impl KernFS {
53     pub const MAX_NAMELEN: usize = 4096;
54 
55     #[allow(dead_code)]
56     pub fn new() -> Arc<Self> {
57         let root_inode = Self::create_root_inode();
58         let fs = Arc::new(Self {
59             root_inode: root_inode.clone(),
60         });
61 
62         {
63             let ptr = root_inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
64             unsafe {
65                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&root_inode);
66             }
67         }
68         root_inode.inner.write().parent = Arc::downgrade(&root_inode);
69         *root_inode.fs.write() = Arc::downgrade(&fs);
70         return fs;
71     }
72 
73     fn create_root_inode() -> Arc<KernFSInode> {
74         let metadata = Metadata {
75             size: 0,
76             mode: ModeType::from_bits_truncate(0o755),
77             uid: 0,
78             gid: 0,
79             blk_size: 0,
80             blocks: 0,
81             atime: TimeSpec::new(0, 0),
82             mtime: TimeSpec::new(0, 0),
83             ctime: TimeSpec::new(0, 0),
84             dev_id: 0,
85             inode_id: generate_inode_id(),
86             file_type: FileType::Dir,
87             nlinks: 1,
88             raw_dev: DeviceNumber::default(),
89         };
90         let root_inode = Arc::new(KernFSInode {
91             name: String::from(""),
92             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
93                 parent: Weak::new(),
94                 metadata,
95                 symlink_target: None,
96                 symlink_target_absolute_path: None,
97             }),
98             self_ref: Weak::new(),
99             fs: RwLock::new(Weak::new()),
100             private_data: SpinLock::new(None),
101             callback: None,
102             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
103             inode_type: KernInodeType::Dir,
104         });
105 
106         return root_inode;
107     }
108 }
109 
110 #[derive(Debug)]
111 pub struct KernFSInode {
112     inner: RwLock<InnerKernFSInode>,
113     /// 指向当前Inode所属的文件系统的弱引用
114     fs: RwLock<Weak<KernFS>>,
115     /// 指向自身的弱引用
116     self_ref: Weak<KernFSInode>,
117     /// 私有数据
118     private_data: SpinLock<Option<KernInodePrivateData>>,
119     /// 回调函数
120     callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
121     /// 子Inode
122     children: SpinLock<HashMap<String, Arc<KernFSInode>>>,
123     /// Inode类型
124     inode_type: KernInodeType,
125     /// Inode名称
126     name: String,
127 }
128 
129 #[derive(Debug)]
130 pub struct InnerKernFSInode {
131     parent: Weak<KernFSInode>,
132 
133     /// 当前inode的元数据
134     metadata: Metadata,
135     /// 符号链接指向的inode(仅当inode_type为SymLink时有效)
136     symlink_target: Option<Weak<KernFSInode>>,
137     symlink_target_absolute_path: Option<String>,
138 }
139 
140 impl IndexNode for KernFSInode {
141     fn as_any_ref(&self) -> &dyn core::any::Any {
142         self
143     }
144 
145     fn open(&self, _data: &mut FilePrivateData, _mode: &FileMode) -> Result<(), SystemError> {
146         if let Some(callback) = self.callback {
147             let callback_data =
148                 KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
149             return callback.open(callback_data);
150         }
151 
152         return Ok(());
153     }
154 
155     fn close(&self, _data: &mut FilePrivateData) -> Result<(), SystemError> {
156         return Ok(());
157     }
158 
159     fn metadata(&self) -> Result<Metadata, SystemError> {
160         return Ok(self.inner.read().metadata.clone());
161     }
162 
163     fn set_metadata(&self, _metadata: &Metadata) -> Result<(), SystemError> {
164         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
165         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
166     }
167 
168     fn resize(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
169         return Ok(());
170     }
171 
172     fn create_with_data(
173         &self,
174         _name: &str,
175         _file_type: FileType,
176         _mode: ModeType,
177         _data: usize,
178     ) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
179         // 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。
180         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
181     }
182 
183     fn link(&self, _name: &str, _other: &Arc<dyn IndexNode>) -> Result<(), SystemError> {
184         // 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。
185         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
186     }
187 
188     fn unlink(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
189         // 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。
190         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
191     }
192 
193     fn rmdir(&self, _name: &str) -> Result<(), SystemError> {
194         // 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。
195         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
196     }
197 
198     fn move_(
199         &self,
200         _old_name: &str,
201         _target: &Arc<dyn IndexNode>,
202         _new_name: &str,
203     ) -> Result<(), SystemError> {
204         // 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。
205         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
206     }
207 
208     fn find(&self, name: &str) -> Result<Arc<dyn IndexNode>, SystemError> {
209         if unlikely(name.len() > KernFS::MAX_NAMELEN) {
210             return Err(SystemError::ENAMETOOLONG);
211         }
212         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
213             return Err(SystemError::ENOTDIR);
214         }
215         match name {
216             "" | "." => {
217                 return Ok(self.self_ref.upgrade().ok_or(SystemError::ENOENT)?);
218             }
219 
220             ".." => {
221                 return Ok(self
222                     .inner
223                     .read()
224                     .parent
225                     .upgrade()
226                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?);
227             }
228             name => {
229                 // 在子目录项中查找
230                 return Ok(self
231                     .children
232                     .lock()
233                     .get(name)
234                     .ok_or(SystemError::ENOENT)?
235                     .clone());
236             }
237         }
238     }
239 
240     fn get_entry_name(&self, ino: InodeId) -> Result<String, SystemError> {
241         if self.inode_type != KernInodeType::Dir {
242             return Err(SystemError::ENOTDIR);
243         }
244 
245         let children = self.children.lock();
246         let r = children
247             .iter()
248             .find(|(_, v)| v.metadata().unwrap().inode_id == ino)
249             .map(|(k, _)| k.clone());
250 
251         return r.ok_or(SystemError::ENOENT);
252     }
253 
254     fn get_entry_name_and_metadata(&self, ino: InodeId) -> Result<(String, Metadata), SystemError> {
255         // 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。
256         let name = self.get_entry_name(ino)?;
257         let entry = self.find(&name)?;
258         return Ok((name, entry.metadata()?));
259     }
260 
261     fn ioctl(&self, _cmd: u32, _data: usize) -> Result<usize, SystemError> {
262         // 若文件系统没有实现此方法,则返回“不支持”
263         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
264     }
265 
266     fn truncate(&self, _len: usize) -> Result<(), SystemError> {
267         // 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。
268         return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
269     }
270 
271     fn sync(&self) -> Result<(), SystemError> {
272         return Ok(());
273     }
274 
275     fn fs(&self) -> Arc<dyn FileSystem> {
276         return self.fs.read().upgrade().unwrap();
277     }
278 
279     fn list(&self) -> Result<Vec<String>, SystemError> {
280         let info = self.metadata()?;
281         if info.file_type != FileType::Dir {
282             return Err(SystemError::ENOTDIR);
283         }
284 
285         let mut keys: Vec<String> = Vec::new();
286         keys.push(String::from("."));
287         keys.push(String::from(".."));
288         self.children
289             .lock()
290             .keys()
291             .into_iter()
292             .for_each(|x| keys.push(x.clone()));
293 
294         return Ok(keys);
295     }
296 
297     fn read_at(
298         &self,
299         offset: usize,
300         len: usize,
301         buf: &mut [u8],
302         _data: &mut FilePrivateData,
303     ) -> Result<usize, SystemError> {
304         if self.inode_type == KernInodeType::SymLink {
305             let inner = self.inner.read();
306             if offset >= inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() {
307                 return Ok(0);
308             }
309             let len = min(len, buf.len());
310             let len = min(
311                 len,
312                 inner.symlink_target_absolute_path.as_ref().unwrap().len() - offset,
313             );
314             buf[0..len].copy_from_slice(
315                 &inner
316                     .symlink_target_absolute_path
317                     .as_ref()
318                     .unwrap()
319                     .as_bytes()[offset..offset + len],
320             );
321             return Ok(len);
322         }
323         if self.inode_type != KernInodeType::File {
324             return Err(SystemError::EISDIR);
325         }
326 
327         if self.callback.is_none() {
328             kwarn!("kernfs: callback is none");
329             return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
330         }
331 
332         let callback_data =
333             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
334         return self
335             .callback
336             .as_ref()
337             .unwrap()
338             .read(callback_data, &mut buf[..len], offset);
339     }
340 
341     fn write_at(
342         &self,
343         offset: usize,
344         len: usize,
345         buf: &[u8],
346         _data: &mut FilePrivateData,
347     ) -> Result<usize, SystemError> {
348         if self.inode_type != KernInodeType::File {
349             return Err(SystemError::EISDIR);
350         }
351 
352         if self.callback.is_none() {
353             return Err(SystemError::EOPNOTSUPP_OR_ENOTSUP);
354         }
355 
356         let callback_data =
357             KernCallbackData::new(self.self_ref.upgrade().unwrap(), self.private_data.lock());
358         return self
359             .callback
360             .as_ref()
361             .unwrap()
362             .write(callback_data, &buf[..len], offset);
363     }
364 }
365 
366 impl KernFSInode {
367     pub fn new(
368         parent: Option<Arc<KernFSInode>>,
369         name: String,
370         mut metadata: Metadata,
371         inode_type: KernInodeType,
372         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
373         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
374     ) -> Arc<KernFSInode> {
375         metadata.file_type = inode_type.into();
376         let parent: Weak<KernFSInode> = parent.map(|x| Arc::downgrade(&x)).unwrap_or_default();
377 
378         let inode = Arc::new(KernFSInode {
379             name,
380             inner: RwLock::new(InnerKernFSInode {
381                 parent: parent.clone(),
382                 metadata,
383                 symlink_target: None,
384                 symlink_target_absolute_path: None,
385             }),
386             self_ref: Weak::new(),
387             fs: RwLock::new(Weak::new()),
388             private_data: SpinLock::new(private_data),
389             callback,
390             children: SpinLock::new(HashMap::new()),
391             inode_type,
392         });
393 
394         {
395             let ptr = inode.as_ref() as *const KernFSInode as *mut KernFSInode;
396             unsafe {
397                 (*ptr).self_ref = Arc::downgrade(&inode);
398             }
399         }
400         if parent.strong_count() > 0 {
401             let kernfs = parent
402                 .upgrade()
403                 .unwrap()
404                 .fs()
405                 .downcast_arc::<KernFS>()
406                 .expect("KernFSInode::new: parent is not a KernFS instance");
407             *inode.fs.write() = Arc::downgrade(&kernfs);
408         }
409         return inode;
410     }
411 
412     /// 在当前inode下增加子目录
413     ///
414     /// ## 参数
415     ///
416     /// - `name`:子目录名称
417     /// - `mode`:子目录权限
418     /// - `private_data`:子目录私有数据
419     /// - `callback`:子目录回调函数
420     ///
421     /// ## 返回值
422     ///
423     /// - 成功:子目录inode
424     /// - 失败:错误码
425     #[allow(dead_code)]
426     #[inline]
427     pub fn add_dir(
428         &self,
429         name: String,
430         mode: ModeType,
431         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
432         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
433     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
434         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
435             return Err(SystemError::ENOTDIR);
436         }
437 
438         return self.inner_create(name, KernInodeType::Dir, mode, 0, private_data, callback);
439     }
440 
441     /// 在当前inode下增加文件
442     ///
443     /// ## 参数
444     ///
445     /// - `name`:文件名称
446     /// - `mode`:文件权限
447     /// - `size`:文件大小(如果不指定,则默认为4096)
448     /// - `private_data`:文件私有数据
449     /// - `callback`:文件回调函数
450     ///
451     ///
452     /// ## 返回值
453     ///
454     /// - 成功:文件inode
455     /// - 失败:错误码
456     #[allow(dead_code)]
457     #[inline]
458     pub fn add_file(
459         &self,
460         name: String,
461         mode: ModeType,
462         size: Option<usize>,
463         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
464         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
465     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
466         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
467             return Err(SystemError::ENOTDIR);
468         }
469 
470         let size = size.unwrap_or(4096);
471         return self.inner_create(
472             name,
473             KernInodeType::File,
474             mode,
475             size,
476             private_data,
477             callback,
478         );
479     }
480 
481     fn inner_create(
482         &self,
483         name: String,
484         file_type: KernInodeType,
485         mode: ModeType,
486         mut size: usize,
487         private_data: Option<KernInodePrivateData>,
488         callback: Option<&'static dyn KernFSCallback>,
489     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
490         match file_type {
491             KernInodeType::Dir | KernInodeType::SymLink => {
492                 size = 0;
493             }
494             _ => {}
495         }
496 
497         let metadata = Metadata {
498             size: size as i64,
499             mode,
500             uid: 0,
501             gid: 0,
502             blk_size: 0,
503             blocks: 0,
504             atime: TimeSpec::new(0, 0),
505             mtime: TimeSpec::new(0, 0),
506             ctime: TimeSpec::new(0, 0),
507             dev_id: 0,
508             inode_id: generate_inode_id(),
509             file_type: file_type.into(),
510             nlinks: 1,
511             raw_dev: DeviceNumber::default(),
512         };
513 
514         let new_inode: Arc<KernFSInode> = Self::new(
515             Some(self.self_ref.upgrade().unwrap()),
516             name.clone(),
517             metadata,
518             file_type,
519             private_data,
520             callback,
521         );
522 
523         self.children.lock().insert(name, new_inode.clone());
524 
525         return Ok(new_inode);
526     }
527 
528     /// 在当前inode下删除子目录或者文件
529     ///
530     /// 如果要删除的是子目录,且子目录不为空,则返回ENOTEMPTY
531     ///
532     /// ## 参数
533     ///
534     /// - `name`:子目录或者文件名称
535     ///
536     /// ## 返回值
537     ///
538     /// - 成功:()
539     /// - 失败:错误码
540     #[allow(dead_code)]
541     pub fn remove(&self, name: &str) -> Result<(), SystemError> {
542         if unlikely(self.inode_type != KernInodeType::Dir) {
543             return Err(SystemError::ENOTDIR);
544         }
545 
546         let mut children = self.children.lock();
547         let inode = children.get(name).ok_or(SystemError::ENOENT)?;
548         if inode.children.lock().is_empty() {
549             children.remove(name);
550             return Ok(());
551         } else {
552             return Err(SystemError::ENOTEMPTY);
553         }
554     }
555 
556     /// add_link - create a symlink in kernfs
557     ///
558     /// ## 参数
559     ///
560     /// - `parent`: directory to create the symlink in
561     /// - `name`: name of the symlink
562     /// - `target`: target node for the symlink to point to
563     ///
564     /// Returns the created node on success
565     ///
566     /// 参考 https://code.dragonos.org.cn/xref/linux-6.1.9/fs/kernfs/symlink.c#25
567     pub fn add_link(
568         &self,
569         name: String,
570         target: &Arc<KernFSInode>,
571         target_absolute_path: String,
572     ) -> Result<Arc<KernFSInode>, SystemError> {
573         // kdebug!("kernfs add link: name:{name}, target path={target_absolute_path}");
574         let inode = self.inner_create(
575             name,
576             KernInodeType::SymLink,
577             ModeType::S_IFLNK | ModeType::from_bits_truncate(0o777),
578             0,
579             None,
580             None,
581         )?;
582 
583         inode.inner.write().symlink_target = Some(Arc::downgrade(target));
584         inode.inner.write().symlink_target_absolute_path = Some(target_absolute_path);
585         return Ok(inode);
586     }
587 
588     pub fn name(&self) -> &str {
589         return &self.name;
590     }
591 
592     pub fn parent(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
593         return self.inner.read().parent.upgrade();
594     }
595 
596     pub fn private_data_mut(&self) -> SpinLockGuard<Option<KernInodePrivateData>> {
597         return self.private_data.lock();
598     }
599 
600     #[allow(dead_code)]
601     pub fn symlink_target(&self) -> Option<Arc<KernFSInode>> {
602         return self.inner.read().symlink_target.as_ref()?.upgrade();
603     }
604 
605     /// remove a kernfs_node recursively
606     pub fn remove_recursive(&self) {
607         let mut children = self.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>();
608         while let Some((_, child)) = children.pop() {
609             children.append(&mut child.children.lock().drain().collect::<Vec<_>>());
610         }
611     }
612 
613     /// 删除当前的inode(包括其自身、子目录和子文件)
614     #[allow(dead_code)]
615     pub fn remove_inode_include_self(&self) {
616         let parent = self.parent();
617         if let Some(parent) = parent {
618             parent.children.lock().remove(self.name());
619         }
620         self.remove_recursive();
621     }
622 }
623 #[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
624 pub enum KernInodeType {
625     Dir,
626     File,
627     SymLink,
628 }
629 
630 impl Into<FileType> for KernInodeType {
631     fn into(self) -> FileType {
632         match self {
633             KernInodeType::Dir => FileType::Dir,
634             KernInodeType::File => FileType::File,
635             KernInodeType::SymLink => FileType::SymLink,
636         }
637     }
638 }
639