“tcp丢包分析”实验解析(一)--proc文件系统

“tcp丢包分析”系列文章代码来自谢宝友老师，由西邮陈莉君教授研一学生进行解析，本文由戴君毅整理，梁金荣编辑，贺东升校对。

最初开发 /proc 文件系统是为了提供有关系统中进程的信息。但是这个文件系统非常有用， /proc 文件系统包含了一些目录（用作组织信息的方式）和虚拟文件。虚拟文件可以向用户呈现内核中的一些信息，也可以用作一种从用户空间向内核发送信息的手段。

/proc 文件系统可以为用户提供很多信息， 在左边是一系列数字编号，每个实际上都是一个目录，表示系统中的一个进程。由于在Linux中创建的第一个进程是 init 进程，因此它的 process-id 为 1。

右边的目录包含特定信息，比如 cpuinfo 包含了CPU的信息， modules 包含了内核模块的信息。

为了解决一些实际问题，我们需要在 /proc 下创建条目捕获信息，使用文件系统通用方法肯定是不行的，需要使用相关API编写内核模块来实现。

在做谢宝友老师写的“TCP丢包分析”实验里，首先就会在 /proc 下创建条目，较为简单，先来看 init 和 exit ：

框架还是比较清晰的，需要深入源码来感受一下，第一部分代码：

struct proc dir entry *pe;

结构 proc_dir_entry 定义在 <fs/proc/internal.h> 下，可以称为一个 pde ，在创建一个文件或目录时就会创建一个 pde 来管理它们。而在打开它们的时候，则会创建一个 proc_inode 结构：

可以使用 PROC_I 宏，也就是我们熟悉的 container_of ，从虚拟文件系统的 inode 得到 proc_inode ，进而得到 pde 。

回到 proc_dir_entry 结构，很多信息从字段名字就可以看出， pde 需要指向创建自己的父 pde 结构, subdir 的组织方式是红黑树，还需要我们实现操作集以及一些引用计数和命名规则等等。

有意思的是，除了操作集之外还有一个 proc_write_t ，对于一些功能比较简单的 proc 文件，我们只要实现这个函数即可，而不用设置 inode_operations 结构，在注册 proc 文件的时候，会自动为 proc_fops 设置一个缺省的 file_operations 结构。

此时，我们可以想象以下模型：

第二部分代码是：

proc_mkdir("mooc", NULL);

proc_mkdir("mooc/net", NULL);

remove proc entry("mooc/net", NULL);

remove proc entry("mooc", NULL);

易知其功能是在 /proc 下创建和删除条目 mooc/net ，以创建操作为例，看下内核代码如何实现的：

这里逻辑很简单， proc_mkdir 实际上是 proc_mkdir_data 默认了权限为 S_IRUGO|S_IXUGO ，再调用 __proc_create 初始化一个局部 pde ，如果成功则初始化操作集，并调用 proc_register 注册这个 pde 到父 pde 下并返回。

__proc_create 调用 kmem_cache_zalloc 从 cache 中获取空间给 pde ，并且对条目名称进行检查。如果成功，则对名称、模式等属性赋值，设置引用计数并初始化锁。

__proc_register 接收两个参数，一个父亲 pde ，一个当前 pde ，目的是把当前 pde 挂到父亲名下，前面提到 subdir 的组织形式是红黑树，那么肯定涉及相关代码，来看：

首先判断当前 pde 的 id 是否越界，如果没有打开子目录锁，把当前 pde 的 parent 字段指向父亲 pde ，并尝试在红黑树中插入子目录，成功后重新上锁并返回当前 pde 。

红黑树的插入操作篇幅所限不再叙述。

下面看第三部分代码：

proc_create 内部也是调用 proc_create_data ，但还需自行指定权限以及操作集回调，用于创建一个 proc 文件，在3.10内核中取代 create_proc_entry 这个旧的接口。

回到实验代码，我们为加入的条目编写操作集接口。

一般地，内核通过在 procfs 文件系统下建立文件来向用户空间提供输出信息，用户空间可以通过任何文本阅读应用查看该文件信息，但是 procfs 有一个缺陷，如果输出内容大于1个内存页，需要多次读，因此处理起来很难，另外，如果输出太大，速度比较慢，有时会出现一些意想不到的情况， AlexanderViro 实现了一套新的功能，使得内核输出大文件信息更容易，它们叫做 seq_file ，所以在使用它们的操作集时需要包含 seq_file.h 头文件。

Drop_packet_open 实际上是调用了 single_open ：

为什么这么做？内核文档给出了相关描述：

https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/seq_file.txt

你可能发现，内核文档里显示的是 seq_open ，而实验里是 single_open ，它们有什么区别呢？实际上内核文档的最后给出了答案：

谢宝友老师的实验中运用 seq_file 的极简版本（extra-simple version），只需定义一个 show() 函数。完整的情况我们还需要实现 start() , next() 等迭代器来对 seq_file 进行操作。极简版本中， open 方法需要调用 single_open ，对应的， release 方法调用 single_release 。

推荐阅读https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-proc.html