临时与伪文件系统

覆盖: procfs/sysfs/debugfs/tracefs → tmpfs (shmem) → devtmpfs → ramfs → kernfs 框架 → 文件系统实现方式 (伪 vs 真实) 内核版本: 2.6 ~ 6.x

概述

"伪文件系统"不存储数据到磁盘——它们的数据由内核在访问时动态生成。最常见的例子是 /proc (进程信息)、/sys (设备模型)、/sys/kernel/debug (调试接口)。它们看起来像普通文件，但 read() 触发的是内核中的回调函数，不是磁盘 I/O。

伪文件系统的核心价值是提供一个统一的、工具友好的接口。cat /proc/meminfo 比系统调用、ioctl 或特殊设备更直观。

procfs: 进程信息

// fs/proc/
// 每个进程的 /proc/<pid>/ 目录:
//   task_struct → proc_dir_entry → inode → dentry
//   访问文件 → 触发 proc 特定的 read handler

// 例子: /proc/<pid>/status
static const struct file_operations proc_status_operations = {
    .open       = proc_single_open,
    .read       = seq_read,       // 使用 seq_file 接口
    .release    = proc_single_release,
};

// seq_file 接口 (fs/seq_file.c):
//   简化内核生成文本输出的通用框架
//   自动处理缓冲、分页、seek
//   .start() / .next() / .stop() / .show()

// 实现: task_state() → seq_printf() 输出每个字段
//   进程看到的是一个纯文本文件，但内容是实时生成的

关键 proc 文件

// /proc/<pid>/maps:  VMA 列表 (遍历 mm->mmap)
// /proc/<pid>/smaps: 每 VMA 的详细内存统计
// /proc/<pid>/fd/:   每个 fd 的符号链接 → file path
// /proc/<pid>/attr/: 安全属性 (SELinux/AppArmor)
// /proc/<pid>/mem:   进程内存读写 (ptrace 替代)

sysfs: 设备模型

// fs/sysfs/
// sysfs 基于 kernfs 框架 (6.x+ 重构)
// 每个 kobject → 一个 sysfs 目录/文件

// kernfs_node 是 sysfs 的核心:
struct kernfs_node {
    const char          *name;
    struct kernfs_node  *parent;
    const struct kernfs_ops *ops;       // 文件操作
    struct kernfs_elem_dir dir;         // 子节点 (如果是目录)
    struct kernfs_elem_symlink symlink; // 符号链接
    struct kernfs_elem_attr attr;       // 属性文件
};

// sysfs 属性文件:
//   .show(): cat /sys/... → 生成文本
//   .store(): echo xxx > /sys/... → 解析并应用

// 设备模型的树状结构:
//   /sys/devices/          ← 真实设备树
//   /sys/bus/              ← 总线类型 → 链接到 devices/
//   /sys/class/            ← 按功能分类 → 链接到 devices/
//   /sys/block/            ← 块设备

debugfs / tracefs

// fs/debugfs/
// 非稳定 API: 给开发者用的调试接口
// 不在生产系统上依赖 (内容/路径可能跨版本变化)

struct dentry *debugfs_create_file(const char *name, umode_t mode,
                                     struct dentry *parent, void *data,
                                     const struct file_operations *fops);

// tracefs (fs/tracefs/):
//   ftrace / tracepoints 的挂载点
//   /sys/kernel/tracing/ ← 挂载 tracefs
//   替代旧的 /sys/kernel/debug/tracing (debugfs)

tmpfs: 内存文件系统

// mm/shmem.c
// tmpfs = shmem 文件系统
// 挂载: mount -t tmpfs tmpfs /tmp

// 数据存储在 page cache 中 (匿名页 + swap-backed)
//   没有磁盘后备 → 断电数据丢失
//   支持 swap: 内存紧张时写 swap

// 使用场景:
//   /tmp:       临时文件
//   /dev/shm:   POSIX 共享内存
//   /run:       daemon 的 PID 文件和 socket
//   /var/run:   向后兼容的符号链接 → /run

// 特性:
//   自动增长 (上限: size mount option, 或 50% RAM)
//   支持 POSIX ACL, xattr, O_TMPFILE

devtmpfs

// drivers/base/devtmpfs.c
// /dev 的动态设备节点管理
// 内核启动时: 挂载 devtmpfs → 填充已知设备 (如 /dev/sda, /dev/tty)
// 设备热插拔: udev 通过 uevent 接收通知 → 创建/删除设备节点

// devtmpfs 确保即使在早期启动 (udev 未运行之前)
//   基本的设备节点也是可用的
//   2.6.32+ 内核自动处理

ramfs

// fs/ramfs/
// 极简单的内存文件系统
//   没有 swap backing → 数据永远在内存
//   没有大小限制 → 可能耗尽内存 (危险!)
//   没有 inode 操作的复杂性 → 代码最短

// 源码只有 ~200 行 (inode.c + file-mmu.c)
// 主要用于特定场景 (initramfs 内部, rootfs)

kernfs 框架 (6.x+)

// fs/kernfs/
// sysfs, cgroupfs 的共享底层
// 提供: 
//   1. 层次化命名空间 (目录树)
//   2. 文件操作 (read/write/mmap/poll)
//   3. 符号链接和硬链接
//   4. RCU 安全的遍历

// 为什么需要 kernfs?
//   旧的 sysfs 和 cgroupfs 独立实现了各自的 VFS 胶水层
//   → 重复代码, 各自有 bug
//   kernfs 统一了 VFS 交互 → 减少重复, 提高可靠性

实现伪文件系统的方式

方案 1: seq_file (用于 proc 中的文本输出)
  → 适合: /proc/<pid>/status 等一行一行生成的文本

方案 2: kernfs (用于 sysfs/cgroupfs)
  → 适合: 属性文件 (.show/.store), 树状结构

方案 3: debugfs (用于调试)
  → 适合: 简单的 file_operations 注册

方案 4: libfs (简单文件系统)
  → 适合: 只有几个文件的伪文件系统
  → fs/libfs.c: simple_fill_super(), simple_lookup_dir(), ...
  → 极少量胶水代码

调试

# proc 文件系统统计
cat /proc/filesystems | grep nodev  # 所有伪文件系统

# sysfs 设备树
tree /sys/devices/

# tmpfs 使用量
df -t tmpfs

# 内核中 debugfs 的使用 (需 root)
mount -t debugfs none /sys/kernel/debug

参考与延伸

内核文档⁠: Documentation/filesystems/proc.rst, Documentation/filesystems/sysfs.rst, Documentation/filesystems/tmpfs.rst, Documentation/filesystems/debugfs.rst
源码⁠:
- fs/proc/ — procfs
- fs/sysfs/ — sysfs
- fs/kernfs/ — kernfs 框架
- fs/debugfs/ — debugfs
- mm/shmem.c — tmpfs
- drivers/base/devtmpfs.c — devtmpfs
- fs/libfs.c — 简单文件系统工具

关键词: procfs, sysfs, debugfs, tracefs, tmpfs, devtmpfs, kernfs, seq_file, 伪文件系统