kernel module编程（七）：通过读取proc文件进行debug

　　本文也即《Linux Device Drivers》，LDD3的第四章Debuging Techniques的读书笔记之二，但我们不限于此内容。

　　在linux中，例如读取CPU，可以使用cat /proc/cpuinfo，通过这个我们可以在程序中采用读文件的方式获取CPU，这种大容量高性能的服务中非常常用，例如在cpu大于60%的时候，我们将拒绝所有的业务请求，直至cpu恢复到40%一下。我们可以根据此进行多级CPU过载保护，这在电信基本的系统中非常常用。由于采用读取CPU的方式，也满足JAVA程序的获取。如果我们开发一个长期运行的稳定的业务系统，过载保护是应当给予考虑。 【编程思想1：CPU过载保护】

　　/proc是特殊的文件系统，通过软件创建，由kernel给出信息。我们之前通过printk给出调测信息，虽然通过宏定义，在编译的时候觉得是否给出printk或者给出某部分的printk，但是一旦模块加载后，printk也就定下来。不能够做到需要时给出，不需要是不要去写/var/log/messages文件。使用/proc文件系统可以满足这个要求。我们在需要的时候去获取信息。但是这样做是有风险的，例如我们在读取的同时卸载模块，有或者两个不同模块使用同一/proc/filename来进行信息输出。而书中的作者更是给了一个ugly的例子（作者自己原话：somewhat ugly），为了跑通，花费了我很多的时间，而examples（可以通过Google检索ldd3 examples得到随书光盘的例子）有误导，让我兜了很多圈子。

　　我们通过下面函数创建和删除/proc下面文件，文件名为scullmems，他们分别在加载和卸载模块时候调用。

create_proc_read_entry("scullmem"/* 文件名 */,
0 /* default mode */,
NULL /* parent dir，NULL表示缺省在/proc路径下 */,
scull_read_procmem/* 读取proc文件时调用的函数 */,
NULL /* client data */);
remove_proc_entry("scullmem", NULL /* parent dir */);

　　关键是如何写scull_read_procmem，他的结构是int (*read_proc)(char *page, char **start, off_t offset, int count, int *eof, void *data); 其中返回值是char ** start和int *eof，void *data是创建文件时携带的参数，kernel不处理，但会在出发调用时传递，我们可以利用来携带某些信息，其他的都是输入值。

　　如果内核模块返回的信息，大于允许存放的最大空间，就好出现cat /proc/scullmems是触发多次该函数的调用，这一点不仅麻烦，而且需要非常小心，LDD3建议使用self_file（还没看到）而不是这种方式，这可能就是作者自嘲ugly的原因。但是我觉得真正ugly的是example中的sculld的例子，将buff前向放内容，然后转为后向存放数据，搞得我迷惑了很久。在scull的例子中，我的机器page大小为1024字节，所有信息不能一次传递完成，需要多次，而文章对这部分的处理说明语焉不详。下面是我实践得到的经验，可能描述得不一定十分准确，但是管用。来看一个实验例子，我们不去处理那个复杂的scull数组结构先，只是希望输出一定的信息，增加了printk用来进行跟踪：

static int my_index = 0,total_index = 10;
int scull_read_procmem(char * buf, char ** start, off_t offset, int count, int * eof, void *data)
{
int i ,len = 0;
int limit = count - 80;
printk("==============buf %p *start %p offset %li len %d eof %d count %i limit %i /n",
buf,*start,offset,len, * eof, count,limit);

if(my_index >= total_index){
printk("=_= return len = %i limit = %d eof = %d /n",len,limit, * eof);
return 0;
}
/* if(offset > count /2){
* start = buf;
}else{
buf = buf + offset;
* start = buf;
limit = count - offset -80;
}*/
if(offset > 0)
* start = buf;

printk("===buf %p *start %p offset %li len %d eof %d count %i limit %i /n",
buf,*start,offset,len, * eof, count,limit);
for(i = my_index; i< total_index && len <= limit; i ++){
printk( "%03d len=%d 12345678901234567890123456789901234567890/n",i,len);
len += sprintf(buf + len,"%03d len=%d 12345678901234567890123456789901234567890/n",
i,len);
my_index ++;
}

* eof = 1;
printk("=== return len = %i limit = %d eof = %d index = %d /n",len,limit, * eof, my_index);
return len;
}

　　第一个参数char * buf，给出的输出信息的buf位置，count表示表示buf空间的大小，通常是根据page来进行分配，在我的机器中，count=1024。

　　关键之一是我们需要告诉用户，是否这次已经读完，还是需要继续读，这个在LDD3中说明不太清楚。这和返回值以及返回参数* eof有关。*eof的缺省输入值为0，如果我们需要告诉用户信息尚未读完，仍需要进一步读取，我们设置*eof为1，并且返回本次读出的内容长度。如果这次读取能够读到信息，即返回有效长度，在我的实验中无论eof设置为何值，都会进行下一次调用。只要我们设置* eof = 0并return 0，表示已无进一步的信息。在我们的实验中，有以下的规律

连续两次返回值为0，不再读取
当* eof 且和上次有效返回是的数值不一样（且上次不能为0），并返回值为0，不再读取。
如果有效进行读取，我们应设置*eof为一个正整数。

　　offset的理解有些意思，我开始理解为buf中的偏移量，但是我们是一次一次地输出信息，如果上一次的输出如果还占据buf的空间，我们就无法有足够的空间给出新的信息。对于多次输出，offset实际是已经有效读取的内容长度，他是一个累计的数值。作为的偏移量不是指读取buf的偏移量，而是指我们输出信息的偏移量，即已完成读取的长度。

　　在上面的例子中，为了保证存放在有效的buf空间内，我们假定每一行的输出不会超过80字节，因此我们每次写入（sprintf）的时候都要判断，是否有足够的空间。

　　char ** start用于大量数据，需要多次读取，当offset不为0的时候，即表示不是第一次读时，我们应该指出数据存放的起始位置，即* start。一般来讲，系统会使用同一个buf来读取，在非第一次的读取中，我们可以选择在buf+offset的位置上开始存放，直至buf满，我们也可以自由设定我们存放数据的起始位置。例如在上面的例子中，可以修改为每次只有一条信息就返回，而不是试图读多次。简单来讲在非第一次读取时，我们都应该设置* start，指明初始位置。对于第一次读取，缺省从buf的第一个字节开始，可能设置也可以把不设置*start的值。

　　下面是total_index = 100的dmesg的部分输入结果：

==============buf effb1000 *start 00000000 offset 0 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
===buf effb1000 *start effb1000 offset 0 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
000 len=0 12345678901234567890123456789901234567890
001 len=52 12345678901234567890123456789901234567890
002 len=105 12345678901234567890123456789901234567890
003 len=159 12345678901234567890123456789901234567890
004 len=213 12345678901234567890123456789901234567890
005 len=267 12345678901234567890123456789901234567890
006 len=321 12345678901234567890123456789901234567890
007 len=375 12345678901234567890123456789901234567890
008 len=429 12345678901234567890123456789901234567890
... ...
017 len=915 12345678901234567890123456789901234567890
=== return len = 969 limit = 944 eof = 1 index = 18
==============buf effb1000 *start 00000000 offset 969 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
===buf effb1000 *start effb1000 offset 969 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
018 len=0 12345678901234567890123456789901234567890
... ....
035 len=915 12345678901234567890123456789901234567890
=== return len = 969 limit = 944 eof = 1 index = 36
==============buf effb1000 *start 00000000 offset 1938 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
===buf effb1000 *start effb1000 offset 1938 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
036 len=0 12345678901234567890123456789901234567890
... ....
089 len=915 12345678901234567890123456789901234567890
=== return len = 969 limit = 944 eof = 1 index = 90
==============buf effb1000 *start 00000000 offset 4845 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
===buf effb1000 *start effb1000 offset 4845 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
090 len=0 12345678901234567890123456789901234567890
... ...
099 len=483 12345678901234567890123456789901234567890
=== return len = 537 limit = 944 eof = 1 index = 100
==============buf effb1000 *start 00000000 offset 5382 len 0 eof 0 count 1024 limit 944
=_= return len = 0 limit = 944 eof = 0

我们下面给出scull内存信息的例子，如果设备SCULLx的scull_qset中含有数据，我们就在qset队列中每一个quantum的位置显示出来，包括没有分配的quantum（显示0，这样一般都需要多次读取）。对于多次读取，最大的问题是，我们需要记住上次已经读取了多少信息，即这次应当从那个开始读取。在LDD3的上一章中说到goto语句在内核程序是比较常见的，这和我们在学习编程的时候，将goto骂得狗血淋头的情况不一样，这和kernel的事件触发机制有关，在这个例子中当本次读取buffer快满的时候，我们通过goto给出统一的出口，这样整个程序显得整洁和易读。

static int store_dev_num = 0, store_qs_num = 0 , store_quan_num = 0;

int scull_read_procmem(char * buf, char ** start, off_t offset, int count, int * eof, void *data)
{
int i, j, len = 0, k = 0;
int limit = count - 80;
/*如果已经全部读完，store_dev_num将等于SCULL_DEV_NUM，我们使用下面这三个参数，分别记录正在读取哪个设备，读到哪个qset，以及qset中的哪个quantum*/
if(store_dev_num >= SCULL_DEV_NUM){
store_dev_num = 0;
store_qs_num = 0;
store_quan_num = 0;
return 0;
}
/* 用于多次读取*/
if(offset > 0){
* start = buf ;
}

for(i = store_dev_num ; i < SCULL_DEV_NUM && len <= limit ; i ++){
struct scull_dev * dev = & mydev[i];
struct scull_qset * qs = dev->data;
if( len > limit)
goto buffer_full;

if(down_interruptible(&dev->sem))
return -ERESTARTSYS;
if(! store_qs_num && ! store_quan_num ){
len += sprintf(buf + len, "/n Device Scull%d: qset %i, q %i sz %li/n",
i,dev->qset, dev->quantum, dev->size);
}
k = 0;

for(; qs ; qs=qs->next, k++){
if(k < store_qs_num)
continue;
if(len > limit){
up(&dev->sem);
goto buffer_full;
}
if(!store_quan_num ){
len += sprintf(buf + len ," item at %p, qset %d at %p/n", qs, k++, qs->data);
}

if(qs->data ){
j = store_quan_num ;
/*下面注释的部分用于全部显示队列中的quantum位置，已保证输出信息足够，
* 而最后程序将恢复，只显示有效部分。*/
for(; j < dev->qset /* && qs->data[ j ] */;j++){
if(len > limit){
up(&dev->sem);
goto buffer_full;
}
len += sprintf(buf + len, "/t%4i:%8p/n", j,qs->data[ j ]);
store_quan_num ++;

}
store_quan_num = 0;
}
store_qs_num ++;
}
up(&dev->sem);

store_dev_num ++;
store_qs_num = 0;
}

buffer_full:
* eof = 1;
return len;
}

从上面代码看，有一个潜在的危险，就是读取信息过程中，如果正在对scull设备进行写操作。在一次读写完成后，我们释放了信号量，等待下一次读写，在这个过程中，信号量可能会被写操作所占有。这个例子，我们只是读取位置信息，即使出现问题，也不会有太多的影响，但是在实际应用过程中，我们应当在一次信号量持有中完成对某设备的操作，例如考虑缓存没有读取的信息，等待下次读取等等，或者尽量减少不必要的信息。【编程思想2：信号量持有和操作】

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