35.Linux-分析并制作环形缓冲区

在上章34.Linux-printk分析、使用printk调试驱动里讲述了:

 printk()会将打印信息存在内核的环形缓冲区log_buf[]里, 可以通过dmesg命令来查看log_buf[]

1.环形缓冲区log_buf[]又是存在内核的哪个文件呢?

位于/proc/kmsg里,所以除了dmesg命令查看,也可以使用cat /proc/kmsg来查看

2.但是,dmesg命令和cat /proc/kmsg有所不同

2.1 dmesg命令

每次使用,都会打印出环形缓冲区的所有信息

2.2 cat /proc/kmsg

只会打印出每次新的环形缓冲区的信息

比如,第一次使用cat /proc/kmsg,会打印出内核启动的所有信息

第二次使用cat /proc/kmsg,就不会出现之前打印的信息,只打印继上次使用cat /proc/kmsg之后的新的信息,比如下图所示:

3.接下来我们便进入内核,找/proc/kmsg文件在哪生成的

搜索"kmsg",找到位于fs\proc\proc_misc.c 文件的proc_misc_init()函数中,

该函数主要用来生成登记的设备文件,具体代码如下所示:

const struct file_operations proc_kmsg_operations = {
       .read              = kmsg_read,               //读函数
       .poll        = kmsg_poll,
       .open             = kmsg_open,
       .release   = kmsg_release,
};
 

void __init proc_misc_init(void)
{
  ... ...
  struct proc_dir_entry *entry;                                   // 用来描述文件的结构体,
         entry = create_proc_entry("kmsg", S_IRUSR, &proc_root); //使用create_proc_entry()创建文件
if (entry)
         entry->proc_fops = &proc_kmsg_operations;    //对创建的文件赋入file_ operations
    ... ...
}

从上面代码得出,/proc/kmsg文件,也是有file_operations结构体的,而cat命令就会一直读/proc/kmsg的file_operations->read(),实现读log_buf[]的数据

且/proc/kmsg文件是通过create_proc_entry()创建出来的,参数如下所示:

"kmsg":文件名

&proc_root:父目录,表示存在/proc根目录下

S_IRUSR: 等于400,表示拥有者(usr)可读,其他任何人不能进行任何操作,如下图所示:

该参数和chmod命令参数一样,除了S_IRUSR还有很多参数,比如:

S_IRWXU: 等于700, 表示拥有者(usr)可读(r)可写(w)可执行(x)

S_IRWXG: 等于070, 表示拥有者和组用户 (group)可读(r)可写(w)可执行(x)

4.为什么使用dmesg命令和cat /proc/kmsg会有这么大的区别?

我们进入proc_kmsg_operations-> kmsg_read()看看,就知道了

static ssize_t kmsg_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
       /*若在非阻塞访问,且没有读的数据,则立刻return*/
       if ((file->f_flags & O_NONBLOCK) && !do_syslog(9, NULL, 0))
              return -EAGAIN;
       return do_syslog(2, buf, count);          //开始读数据,buf:用户层地址,count:要读的数据长度
}

5.proc_kmsg_operations-> kmsg_read()->do_syslog(9, NULL, 0)的内容如下所示:

其中log_start和log_end就是环形缓冲区的两个标志, log_start也可以称为读标志位, log_end也可以称为写标志位,当写标志和读标志一致时,则表示没有读的数据了。

6.proc_kmsg_operations-> kmsg_read()->do_syslog(2, buf, count)的内容如下所示:

case 2:           /* Read from log */
              error = -EINVAL;
              if (!buf || len < 0)           //判断用户层是否为空,以及读数据长度
                     goto out;
              error = 0;
              if (!len)
                     goto out;
              if (!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, len)) {      // access_ok:检查用户层地址是否访问OK
                     error = -EFAULT;
                     goto out;
              }

              /*若没有读的数据,则进入等待队列*/
              error = wait_event_interruptible(log_wait, (log_start - log_end));
              if (error)
                    goto out;

              i = 0;
              spin_lock_irq(&logbuf_lock);        
              while (!error && (log_start != log_end) && i < len) {
                     c = LOG_BUF(log_start);         // LOG_BUF:取环形缓冲区log_buf[]里的某个位置的数据
                     log_start++;                        //读地址++
                     spin_unlock_irq(&logbuf_lock);
                     error = __put_user(c,buf);            //和 copy_to_user()函数一样,都是上传用户数据
                     buf++;                                       //用户地址++
                     i++;                                        //读数据长度++
                     cond_resched();
                     spin_lock_irq(&logbuf_lock);
              }
              spin_unlock_irq(&logbuf_lock);
              if (!error)
                     error = i;
              break;}
out:
       return error;
}

显然就是对环形缓冲区的读操作,而环形缓冲区的原理又是什么?

7.接下来便来分析环形缓冲区的原理

和上面函数一样, 环形缓冲区需要一个全局数组,还需要两个标志:读标志R、写标志W

我们以一个全局数组my_buff[7]为例,来分析:

7.1环形缓冲区初始时:

int R=0;             //记录读的位置
int W=0;             //记录写的位置    

上面的代码,如下图1所示:

R:从数组[R]开始读数据

W:从数组[W]开始写数据

所以,当R==W时,则表示没有数据可读,通过这个逻辑便能写出读数据了

7.2当我们需要读数据时:

int read_buff(char  *p)              //p:指向要读出的地址
{
if(R==W)            
      return 0;       //读失败
*p=my_buff[R];
R=(R+1)%7;      //R++    
return  1;         //读成功  
}

我们以W=3,R=0,为例,调用3次read_buff()函数,如下图所示:

读数据完成,剩下就是写数据了,很显然每写一个数据,W则++

7.3所以写数据函数为:

void write_buff(char c)              //c:等于要写入的内容
{
  my_buff [W]=c;         
  W=(W+1)%7;    //W++          
if(W==R)
  R=(R+1)%7;      //R++
}

7.3.1 上面的代码,为什么要判断if((W==R)?

比如,当我们写入一个8个数据,而my_buff[]只能存7个数据,必定会有W==R的时候,如果不加该判断,效果图如下所示:

然后我们再多次调用read_buff(),就会发现只读的出第8个数据的值,而前面7个数据都会被遗弃掉

7.3.2 而加入判断后,效果图如下所示:

然后我们再多次调用read_buff(),就可以读出my_buff [2]~ my_buff [0]共6个数据出来

总结:

由于read_buff()后,R都会+1,所以每次 cat /proc/kmsg , 都会清空上次的打印信息。

8.环形缓冲区分析完毕后,我们就可以直接来写一个驱动,模仿/proc/kmsg文件来看看

流程如下:

  • 1)定义全局数组my_buff[1000]环形缓冲区,R标志,W标志,然后提供写函数,读函数
  • 2)自制一个myprintk(),通过传入的数据来放入到my_buff[]环形缓冲区中
  • (PS:需要通过EXPORT_SYMBOL(myprintk)声明该myprintk,否则不能被其它驱动程序调用 )
  • 3)写入口函数
  •  ->3.1) 通过create_proc_entry()创建/proc/mykmsg文件
  •    ->3.2 )并向mykmsg文件里添加file_operations结构体
  • 4)写出口函数
  •  ->4.1) 通过remove_proc_entry()卸载/proc/mykmsg文件
  • 5)file_operations->read()函数
  •  ->5.1) 仿照/proc/kmsg的read()函数,来读my_buff[]环形缓冲区的数据

具体代码如下所示:

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/proc_fs.h>

#define my_buff_len   1000          //环形缓冲区长度

static struct proc_dir_entry *my_entry;


/*    声明等待队列类型中断 mybuff_wait      */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mybuff_wait);


static char my_buff[my_buff_len]; 
unsigned long R=0;                      //记录读的位置
unsigned long W=0;                    //记录写的位置
 
int read_buff(char  *p)         //p:指向要读出的地址
{
   if(R==W)          
             return 0;               //读失败
        *p=my_buff[R]; 
         R=(R+1)%my_buff_len;       //R++
        return  1;                   //读成功   
}

void write_buff(char c)          //c:等于要写入的内容
{    
        my_buff [W]=c;       
        W=(W+1)%my_buff_len;     //W++
        if(W==R)
            R=(R+1)%my_buff_len;     //R++
       wake_up_interruptible(&mybuff_wait);     //唤醒队列,因为R != W 
}

/*打印到my_buff[]环形缓冲区中*/
int myprintk(const char *fmt, ...)
{
       va_list args;
       int i,len;
       static char temporary_buff[my_buff_len];        //临时缓冲区
       va_start(args, fmt);
       len=vsnprintf(temporary_buff, INT_MAX, fmt, args);
       va_end(args);

        /*将临时缓冲区放入环形缓冲区中*/
       for(i=0;i<len;i++)       
       {
            write_buff(temporary_buff[i]);
       }
       return len;
}

static int mykmsg_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
        return 0;
}  

static int mykmsg_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
      int error = 0,i=0;
      char c;

        if((file->f_flags&O_NONBLOCK)&&(R==W))      //非阻塞情况下,且没有数据可读
            return  -EAGAIN;
             error = -EINVAL;
              if (!buf || !count )
                     goto out;
             error = wait_event_interruptible(mybuff_wait,(W!=R));
              if (error)
                     goto out;
       while (!error && (read_buff(&c)) && i < count) 
      {
        error = __put_user(c,buf);      //上传用户数据
        buf ++;
        i++;
      }

      if (!error)
               error = i;
out:
       return error;
}  

const struct file_operations mykmsg_ops = {
       .read              = mykmsg_read,
       .open         = mykmsg_open,
};
static int  mykmsg_init(void)
{
    my_entry = create_proc_entry("mykmsg", S_IRUSR, &proc_root);
   if (my_entry)
         my_entry->proc_fops = &mykmsg_ops;
    return 0;
}
static void mykmsg_exit(void)
{
        remove_proc_entry("mykmsg", &proc_root);  
}

module_init(mykmsg_init);
module_exit(mykmsg_exit); 
EXPORT_SYMBOL(myprintk);
MODULE_LICENSE("GPL");

PS:当其它驱动向使用myprintk()打印函数,还需要在文件中声明,才行:

extern int myprintk(const char *fmt, ...);

且还需要先装载mykmsg驱动,再来装载要使用myprintk()的驱动,否则无法找到myprintk()函数

9.测试运行

如下图所示,挂载了mykmsg驱动,可以看到生成了一个/proc/mykmsg文件

挂载/proc/mykmsg期间,其它驱动使用myprintk()函数,就会将信息打印在/proc/mykmsg文件中,如下图所示:

和cat /proc/kmsg一样,每次cat 都会清上一次的打印数据

10.若我们不想每次清,和dmesg命令一样, 每次都能打印出环形缓冲区的所有信息,该如何改mykmsg驱动?

上次我们分析过了,每次调用read_buff()后,R都会+1。

要想不清空上次的信息打印,还需要定义一个R_ current标志来代替R标志,这样每次cat结束后,R的位置保持不变。

每次cat时,系统除了进入file_operations-> read(),还会进入file_operations-> open(),所以在open()里,使R_ current=R,然后在修改部分代码即可,

10.1我们还是以一个全局数组my_buff[7]为例, 如下图所示:

10.2所以,修改的代码如下所示:

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#define my_buff_len   1000          //环形缓冲区长度
 
static struct proc_dir_entry *my_entry;
 
/*    声明等待队列类型中断 mybuff_wait      */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mybuff_wait);

static char my_buff[my_buff_len];

unsigned long R=0;                      //记录读的位置
unsigned long R_current=0;             //记录cat期间 读的位置
unsigned long W=0;                    //记录写的位置

int read_buff(char  *p)         //p:指向要读出的地址
{
        if(R_current==W)             
             return 0;               //读失败
        *p=my_buff[R_current]; 
         R_current=(R_current+1)%my_buff_len;     //R_current++
        return  1;                   //读成功   
}

void write_buff(char c)          //c:等于要写入的内容
{    
        my_buff [W]=c;       
        W=(W+1)%my_buff_len;     //W++
        if(W==R)
          R=(R+1)%my_buff_len;     //R++
        if(W==R_current)
          R=(R+1)%my_buff_len;     //R_current++
       wake_up_interruptible(&mybuff_wait);     //唤醒队列,因为R !=W 
}

/*打印到my_buff[]环形缓冲区中*/
int myprintk(const char *fmt, ...)
{
  va_list args;
  int i,len;
  static char temporary_buff[my_buff_len];        //临时缓冲区
  va_start(args, fmt);
  len=vsnprintf(temporary_buff, INT_MAX, fmt, args);
  va_end(args);
     /*将临时缓冲区放入环形缓冲区中*/
       for(i=0;i<len;i++)       
       {
            write_buff(temporary_buff[i]);
       }
  return len;
}

static int mykmsg_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
        R_current=R;       
        return 0;
}  

static int mykmsg_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
      int error = 0,i=0;
      char c;     
        if((file->f_flags&O_NONBLOCK)&&(R_current==W))      //非阻塞情况下,且没有数据可读
            return  -EAGAIN;
        error = -EINVAL;
       if (!buf || !count )
              goto out;

       error = wait_event_interruptible(mybuff_wait,(W!=R_current));
       if (error)
              goto out;
    
      while (!error && (read_buff(&c)) && i < count) 
      {
        error = __put_user(c,buf);      //上传用户数据
        buf ++;
        i++;
      }

      if (!error)
        error = i;

out:
  return error;
}  

const struct file_operations mykmsg_ops = {
  .read         = mykmsg_read,
  .open         = mykmsg_open,

};

static int  mykmsg_init(void)
{
    my_entry = create_proc_entry("mykmsg", S_IRUSR, &proc_root);
   if (my_entry)
    my_entry->proc_fops = &mykmsg_ops;
    return 0;
}
static void mykmsg_exit(void)
{
   remove_proc_entry("mykmsg", &proc_root);
}

module_init(mykmsg_init);
module_exit(mykmsg_exit); 
EXPORT_SYMBOL(myprintk); 
MODULE_LICENSE("GPL"); 

11.测试运行

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