伪文件系统

伪文件系统（Pseudo Filesystems）是 Linux 虚拟文件子系统（VFS）中的一类特殊文件系统，不依赖物理存储设备，而是由内核动态生成，用于暴露内核数据结构、设备信息或系统状态给用户态。它们通过 VFS 提供文件接口，遵循“一切皆文件”的哲学，方便用户和程序访问内核信息。

文件和目录内容实时反映内核状态，运行时创建；部分伪文件系统（如 /proc）只读，部分（如 /sys）支持写操作以配置内核。

常见伪文件

1. /proc（procfs）

   • 作用：提供进程和内核信息的接口，反映系统状态。
   • 内容：
     • 进程信息：如 /proc/[pid]/status（进程状态）、/proc/[pid]/maps（内存映射）。
     • 系统信息：如 /proc/cpuinfo（CPU 信息）、/proc/meminfo（内存使用）。
     • 内核参数：如 /proc/sys/kernel/（可读写配置，如 sysctl）。
   • 实现：
     • 注册为 proc_fs_type，使用 proc_dir_entry 管理文件和目录。
     • 通过 proc_ops（类似 file_operations）实现文件操作。
   • 示例：cat /proc/uptime 查看系统运行时间。

2. /sys（sysfs）

   • 作用：暴露设备、驱动和内核对象的属性，支持设备管理和配置。
   • 内容：
     • 设备拓扑：/sys/devices/ 反映硬件层级。
     • 设备类型：/sys/class/（如网卡 /sys/class/net/）。
     • 驱动信息：/sys/bus/（如 PCI、USB 设备）。
   • 实现：
     • 基于 struct kobject，通过 sysfs_ops 提供读写接口。
     • 设备驱动通过 kobject 创建 sysfs 条目，映射到文件。
   • 示例：echo 1 > /sys/class/leds/brightness 控制 LED。

3. /dev（devfs 或 udev）

   • 作用：提供设备文件接口，表示字符设备和块设备。
   • 内容：
     • 字符设备（如 /dev/tty）、块设备（如 /dev/sda）。
     • 动态管理：由 udev（用户态）或内核动态创建设备文件。
   • 实现：
     • 传统 devfs 已废弃，现由 udev 配合 tmpfs 实现。udev 是一个用户态的服务程序，通过监听内核的 uevent 硬件事件，特别是设备的插拔事件，从而来动态为 /dev 目录创建设备的虚拟文件，提供设备的访问接口。其他的伪文件系统是由内核实现的，而 /dev 伪文件由用户态的 udev 服务配合实现，这一点区别于其他的伪文件系统。
     • 设备驱动通过 register_chrdev 或 cdev_add 注册，VFS 创建 inode（含 i_cdev 或 i_bdev）。
   • 示例：cat /dev/random 获取随机数。

4. /tmpfs（tmpfs）

   • 作用：基于内存的文件系统，数据存储在 RAM，速度快，断电丢失。
   • 内容：常用于临时文件或共享内存（如 /dev/shm）。
   • 实现：
     • 注册为 tmpfs_fs_type，数据存储在页面缓存，无需块设备。
     • 支持 file_operations 和 inode_operations。
   • 示例：mount -t tmpfs tmpfs /mnt 创建内存文件系统。

5. /debug（debugfs）

   • 作用：提供内核开发者调试接口，暴露内部数据结构。
   • 内容：自定义调试信息，由驱动或子系统注册（如 /debug/tracing）。
   • 实现：
     • 注册为 debugfs_fs_type，通过 debugfs_create_file 创建文件。
     • 提供简单接口（如 debugfs_create_u32）添加调试节点。
   • 示例：cat /debug/tracing/trace 查看内核跟踪日志。

伪文件系统的工作原理

伪文件系统首先通过 register_filesystem 向内核注册自己的 struct file_system_type（如 proc_fs_type），并在挂载时（如 mount -t proc proc /proc）由 VFS 创建对应的 struct super_block。伪文件和目录在内核中由 struct inode 和 struct dentry 结构体表示，并绑定特定的操作函数（如 proc_ops 或 sysfs_ops），实现与 VFS 的集成。

与传统文件系统不同，伪文件系统的文件内容并不存储在磁盘上，而是由内核在访问时动态生成。每个文件的 read 或 write 回调函数会实时从内核数据结构中获取或更新信息，例如 /proc/cpuinfo 的 read 操作会读取当前 CPU 的相关信息。

用户通过常规的文件操作命令（如 cat、echo）访问这些伪文件，VFS 会调用伪文件系统实现的 file_operations。对于支持写操作的伪文件（如 /sys），写入会触发内核回调，从而实现对设备或内核参数的动态配置和管理。