Linux内核空间-用户空间通信之debugfs

一、debugfs文件系统简介

debugfs虚拟文件系统是一种内核空间与用户空间的接口，基于libfs库实现，专用于开发人员调试，便于向用户空间导出内核空间数据(当然，反方向也可以)。debugfs在linux内核版本2.6.10引入，作者是Greg Kroah-Hartman。

与procfs和sysfs不同，前者主要提供进程信息(当然后来又加入设备、内存、网络等信息，比较杂乱)，后者主要提供设备信息，且有一个文件提供一个值的“规则”，是Linux通用设备模型的影射。debugfs没有类似的限制，开发者可以放入任何信息。

二、debugfs的使用

说明：函数接口请参见：http://docs.huihoo.com/doxygen/linux/kernel/3.7/fs_2debugfs_2file_8c.html#ad5e6fa7f4a3de8d751a7fff4d99e59f3

1. 挂载debugfs文件系统

要使用debugfs，需要在内核编译配置中配置CONFIG_DEBUG_FS选项，一般的发行版都会默认编译进了内核，并且将其自动挂载默认的目录(/sys/kernel/debug)，可通过以下命令查看：

也可手动挂载到其它位置：

$ mkdir /debugfs
$ mount -t debugfs none /debugfs

2. 利用debugfs导出基本数据类型的变量

debugfs可以将内核中基本整数类型的变量导出为单个文件，在用户空间中可以直接对其读写(如使用cat、echo命令)，只要权限允许即可。支持的类型有：u8, u16, u32, u64, size_t和 bool。其中bool类型在内核中要定义为u32类型，在用户空间中对应的文件内容则显示为Y或N。示例代码如下：

static struct dentry *root_d = debugfs_create_dir("exam_debugfs", NULL); //在debugfs根目录下创建新目录exam_debugfs，然会新建目录的目录项指针
static u8 var8;
debugfs_create_u8("var-u8", 0664, root_d, &var8); //在exam_debugfs中创建变量var8对应的文件，名为var-u8，权限为0664
static u32 varbool;
debugfs_create_bool("var-bool", 0664, root_d, &varbool); //bool变量

3. 利用debugfs导出数据块(只读)

debugfs提供的debugfs_create_blob函数可导出数据块，示例代码如下：

char buf[] = "Hello debugfs!\n";
b.data = buf;
b.size = strlen(buf) + 1;
debugfs_create_blob("blob", 0644, root_d, &b); // blob is readonly, even if 0644

没错，debugfs提供的debugfs_blob_wrapper结构所导出的数据块只能读取，不能修改。

4. 利用debugfs导出u32数组(只读)

debugfs提供的debugfs_create_u32_array函数可导出内核中u32类型的数组。示例代码如下：

u32 arr[] = {1,2,3,4,5};
debugfs_create_u32_array("array", 0664, root_d, arr, sizeof(arr)/sizeof(u32));

5. 实现可读写数据块的导出

实现并不难，只需实现struct file_operations的open、write、read方法即可。然后调用debugfs提供的debugfs_create_file即可。该方法的原型如下：

struct dentry* debugfs_create_file	(	const char * 	name,
	umode_t 	mode,
	struct dentry * 	parent,
	void * 	data, // 传入的data指针会被赋值给新建文件对应inode的i_private字段
	const struct file_operations * 	fops
)	

下面，仿照struct debugfs_blob_wrapper的实现，实现struct my_blob_wrapper和my_blob_wrapper_ops，提供可读写的“blob”：

/** 自定义可读写blob **/
struct my_blob_wrapper{
    void *data;
    unsigned long size; // data缓冲区长度
};
static int my_blob_wrapper_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = inode->i_private; // inode->i_private被设置为debugfs_create_file传入的data参数
    return 0;
}
static ssize_t my_blob_wrapper_read(struct file *filp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct my_blob_wrapper *blob = filp->private_data;
    return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos,
            blob->data, blob->size);//此函数有libfs提供，与下面逻辑等价
//    if (*ppos >= blob->size) {
//        return 0;
//    }
//    if (*ppos + count > blob->size) {
//        count = blob->size - *ppos;
//    }
//    if (copy_to_user(user_buf, blob->data + *ppos, count) != 0) {
//        return -EFAULT;
//    }
//    *ppos += count;
//    return count;
}
static ssize_t my_blob_wrapper_write(struct file *filp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct my_blob_wrapper *blob = filp->private_data;
    return simple_write_to_buffer(blob->data, blob->size, ppos,
                    user_buf, count);//此函数由libfs提供，与下面逻辑等价
//    if (*ppos >= blob->size) {
//        return 0;
//    }
//    if (*ppos + count > blob->size) {
//        count = blob->size - *ppos;
//    }
//    if (copy_from_user(blob->data + *ppos, user_buf, count) != 0) {
//        return -EFAULT;
//    }
//    *ppos += count;
//    return count;
}
static struct file_operations my_blob_wrapper_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_blob_wrapper_open,
    .read = my_blob_wrapper_read,
    .write = my_blob_wrapper_write,
    .llseek = default_llseek,//VFS提供
};
struct dentry *my_create_blob(const char *name, umode_t mode,
          struct dentry *parent,
          struct my_blob_wrapper *blob)
{
    return debugfs_create_file(name, mode, parent, blob, &my_blob_wrapper_ops);
}
/* done */

6. 注意：

① 在debugfs中创建的文件和目录在模块退出时，并不会自动删除，可调用debugfs_remove_recursive删除整个目录，或调用debugfs_remove删除单个文件。

② u32_array在用户空间文件中显示为空格隔开的元素

③ debugfs_create_x{8,16,32,64}与debugfs_create_u{8,16,32,64}的不同在于前者显示为16进制，后者显示为10进制

三、debugfs示例完整代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/debugfs.h>
#include <linux/fs.h> // for libfs
#include <asm-generic/uaccess.h>

/** 自定义可读写blob **/
struct my_blob_wrapper{
    void *data;
    unsigned long size;
};
static int my_blob_wrapper_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = inode->i_private;
    return 0;
}
static ssize_t my_blob_wrapper_read(struct file *filp, char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct my_blob_wrapper *blob = filp->private_data;
    return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos,
            blob->data, blob->size); // from libfs
}
static ssize_t my_blob_wrapper_write(struct file *filp, const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct my_blob_wrapper *blob = filp->private_data;
    return simple_write_to_buffer(blob->data, blob->size, ppos,
                    user_buf, count);
}
static struct file_operations my_blob_wrapper_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_blob_wrapper_open,
    .read = my_blob_wrapper_read,
    .write = my_blob_wrapper_write,
    .llseek = default_llseek, // from vfs
};
/* 接口函数 */
struct dentry *my_create_blob(const char *name, umode_t mode,
          struct dentry *parent,
          struct my_blob_wrapper *blob)
{
    return debugfs_create_file(name, mode, parent, blob, &my_blob_wrapper_ops);
}
/** my_clob implementation end **/

static struct dentry *root_d;
static u8 var8;
static u16 var16;
static u32 var32;
static u32 varbool;
static char buf[] = "Hello debugfs!\n";
static struct debugfs_blob_wrapper b;
static struct my_blob_wrapper b2;
static u32 arr[] = {1,2,3,4,5};

int __init mod_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "exam_debugfs: initialing...\n");
    root_d = debugfs_create_dir("exam_debugfs", NULL);
    if (!root_d) {
        printk(KERN_INFO "exam_debugfs: error create root dir\n");
        return 1;
    }
    /* u{8,16,32}, bool */
    debugfs_create_u8("var-u8", 0664, root_d, &var8);
    debugfs_create_u16("var-u16", 0664, root_d, &var16);
    debugfs_create_u32("var-u32", 0664, root_d, &var32);
    debugfs_create_bool("var-bool", 0664, root_d, &varbool);
    /* u32_array */
    debugfs_create_u32_array("array", 0664, root_d, arr, sizeof(arr)/sizeof(u32));
    /* blob_wrapper */
    b.data = buf;
    b.size = strlen(buf) + 1;
    debugfs_create_blob("blob", 0644, root_d, &b); // blob is readonly, even if 0644
    /* my_blob_wrapper */
    b2.data = buf;
    b2.size = strlen(buf) + 1;
    my_create_blob("myblob", 0644, root_d, &b2);

    return 0;
}
void __exit mod_exit(void)
{
    debugfs_remove_recursive(root_d);
    printk(KERN_INFO "exam_debugfs: exiting...\n");
}

module_init(mod_init);
module_exit(mod_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("a demo for debugfs");
MODULE_AUTHOR("rsljdkt");

四、补充：debugfs bool的实现

static ssize_t read_file_bool(struct file *file, char __user *user_buf,
                  size_t count, loff_t *ppos)
{
    char buf[3];
    u32 *val = file->private_data;

    if (*val)
        buf[0] = 'Y';
    else
        buf[0] = 'N';
    buf[1] = '\n';
    buf[2] = 0x00;
    return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos, buf, 2);
}

static ssize_t write_file_bool(struct file *file, const char __user *user_buf,
                   size_t count, loff_t *ppos)
{
    char buf[32];
    size_t buf_size;
    bool bv;
    u32 *val = file->private_data;

    buf_size = min(count, (sizeof(buf)-1));
    if (copy_from_user(buf, user_buf, buf_size))
        return -EFAULT;

    if (strtobool(buf, &bv) == 0)
        *val = bv;

    return count;
}

参考：

Debugfs 
http://en.wikipedia.org/wiki/Debugfs

Function Documentation 
http://docs.huihoo.com/doxygen/linux/kernel/3.7/fs_2debugfs_2file_8c.html#ad5e6fa7f4a3de8d751a7fff4d99e59f3

Linux内核里的DebugFS 
http://www.cnblogs.com/wwang/archive/2011/01/17/1937609.html

header file: 
http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/debugfs.h