第10章 无持久存储的文件系统 （1）

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前言

10.1 proc文件系统

10.1.1 /proc 内容

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前言

即存在于内存中的文件系统。如：

        proc：

        sysfs：

                即/sys目录。

                内容不一定是ASCII文本，可能是二进制。

                收集内核对象kobject的拓扑信息。

        debugfs：

                作用：快速向应用层导出，或从应用层导入值

                原理：使用了 libfs+顺序文件。

10.1 proc文件系统

procfs，即 process data filesystem。

proc 文件系统作用：

        1. cat 文件时，动态生成相关信息。

        2. echo " " > 文件，修改系统配置。

10.1.1 /proc 内容

proc 信息分为几类：

        1. 内存管理

        2. 进程信息

        3. 文件系统

        4. 设备驱动

        5. 系统总线

        6. 电源管理

        7. 系统控制参数

1. 特定于进程的数据

cat /proc/3883/         数字为进程 PID

        cmdline：开启该进程的命令，如 ./a.out 1 2

        environ：该进程设置的环境变量。

        maps：进程本身，及其使用的库的内存映射（可用于定位进程crash）

        status

        fd： 进程打开的文件描述符，都是链接文件。

                如：

                        /proc/2820/fd/1 -> /dev/null

                        /proc/2820/fd/4 -> socket:[10030]

        cwd：进程当前的工作目录。

        exe：链接指向进程的二进制程序。

                如：

                        /proc/2820/exe -> /bin/cbsd

举例：

cat   /proc/906/status

        Name:      systemd         对应可执行文件名字。

        Umask:     0022             该进程创建文件的默认权限掩码。

        State:       S (sleeping)

        Tgid:         906                线程组ID。

        Ngid:        0                     下一个可用的线程组ID。

        Pid:          906                 进程ID。

        PPid:         1                    父进程ID。

        TracerPid: 0                    跟踪该进程的调试器进程ID。

        Uid:         0 0 0 0

                实际用户ID、有效用户ID、保存的设置用户ID、文件系统用户ID。

        Gid:         0 0 0 0

                进程的实际组ID、有效组ID、保存的设置组ID、文件系统组ID。

        FDSize:     1024                进程的文件描述符限制大小。

        Groups:

        NStgid:          906         NS=namespace

        NSpid:          906

        NSpgid:         906

        NSsid:           906

        VmPeak:       1311540 kB

                进程使用的虚拟内存峰值。

        VmSize:         1071592 kB

                进程使用的虚拟内存当前值。

                不等于实际使用物理内存（如部分数据可存储在交换区）。

        VmLck:         0 kB

                锁定的内存区域大小。

                即不被swap到磁盘，也无法回收。

        VmHWM:         244276 kB         进程使用的物理内存峰值。

        VmRSS:         239916 kB          进程当前使用物理内存值。

        RssAnon:         36428 kB          进程的匿名内存的大小（如堆、栈、共享内存）

        RssFile:          10140 kB           进程文件缓存页大小。

        RssShmem:     0 kB                  进程使用的共享内存的总大小。

        VmData:         628048 kB         数据段大小。

        VmStk:          136 kB                 栈大小。

        VmExe:         32 kB                   代码段大小。

        VmLib:          57908 kB              库大小。

        VmPTE:        2388 kB               页表的大小。

        VmSwap:       0 kB                     使用swap的大小。

        Threads:         1

        SigQ:           0/13035                         当前未处理信号数量 / 进程可接收信号最大数量。

        SigPnd:       0000000000000000         等待处理的信号位掩码。

        ShdPnd:      0000000000000000         共享的挂起信号掩码。

        SigBlk:         0000000000000000         进程阻塞信号掩码。

        SigIgn:         0000000000001000         进程忽略的信号掩码。

        SigCgt:         0000000000002000         进程可接收并可处理的信号。

        CapInh:         00000000a80425fb         从父进程继承的能力。

        CapPrm:        00000000a80425fb         进程当前的能力集合。

        CapEff:          00000000a80425fb         当前实际拥有的能力集合

        CapBnd:         00000000a80425fb         进程不能超出的能力集合。

        CapAmb:                      0000000000000000         可接受的能力集合。

        NoNewPrivs:                0

                是否设置Privileges位，即不可增加特权。若设置，execve程序不能有更高权限。

        Seccomp:                     0                         安全计算模式，限定进程可使用的系统调用

        Cpus_allowed:              f                          允许允许的CPU掩码。

        Cpus_allowed_list:        0-3

        Mems_allowed:         00000000,00000001         允许使用的内存节点的掩码。

        Mems_allowed_list:                         0

        voluntary_ctxt_switches:               397

                主动放弃CPU的次数，如进程阻塞I/O。

        nonvoluntary_ctxt_switches:         253

                被迫放弃CPU的次数，如时间片用完。

mlock系统调用：

        作用：将进程指定的虚拟内存区域锁定在物理内存中，防止被交换出去。

RSS：常驻集大小(Resident Set Size)

        当前驻留在物理内存中的大小。不包括被换出到交换空间（Swap）的部分。

当一个信号被设置为阻塞后，当进程收到该信号时不会立即处理，而是挂起信号，直到解除信号阻塞状态后才能处理。

如何阻塞SIGINT信号？

        sigaddset(&block_set, SIGINT);

        sigprocmask(SIG_BLOCK, &block_set, NULL);

信号在内核中状态：

        1. 递达：Delivery。收到信号，并执行信号处理函数。

        2. 未决 / 挂起：Pending。进程正处理一个信号时，收到的其余信号被挂起。

        3. 阻塞：Block。进程解除信号阻塞，立即执行信号处理函数。即延时接收。

运用场景：

        挂起信号：优先处理某些紧急信号，推迟处理其他信号。

        阻塞信号：临时忽略某信号。例如在某些关键性操作期间，可防止信号干扰进程。

进程常见能力包括：

        CAP_CHOWN：

                更改文件的所有者的的能力。 即可执行chown

        CAP_DAC_READ_SEARCH：

                读取任意文件和目录的能力。

        CAP_NET_RAW：

                使用原始网络套接字的能力。

                !ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_RAW)

        CAP_SYS_ADMIN： 管理系统的能力

        CAP_SYS_RESOURCE：

                允许进程配置系统资源。如nice setrlimit mlock

        CAP_SYS_PTRACE：

                跟踪其他进程的能力。

        CAP_IPC_LOCK：

                锁定内存的能力。

内核如何判断进程的能力：

        与current->cred->cap_effective掩码计算。

相关命令：

        sudo    setcap    cap_net_raw   +   ep   /usr/bin/ping

        sudo    getcap

2. 系统信息

iomem：即IO内存。

IO内存的使用方法：

        1. request_mem_region(start, size, "name"); 请求一块物理地址内存区域。

        2. ioremap; 将物理地址映射到虚拟地址空间。

/proc/iomem

        IO内存信息，包括系统物理地址布局。

/proc/ioports

        IO端口信息。

/proc/buddyinfo

        不同大小阶的页大小，都有多少可用。

/proc/slabinfo

        slab分配器信息。

        内容举例：

                # name : tunables : slabdata

                kmalloc-16 0 0 16 256 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0

                kmalloc-192 29 30 192 30 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0

                ext4_inode_cache 35 35 1000 7 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 5 5 0

                active_objs： 该slab缓存当前活动对象数量。

                num_objs： 可用总对象数。

                objsize： 单个对象大小。

                objperslab： 每个slab缓存中包含对象数。

                pagesperslab：每个slab缓存中占用的页数。

/proc/meminfo

        MemTotal:         16218688 kB         实际管理的内存 = 物理内存 - 预留内存。

        MemFree:         2576640 kB           空闲内存。

        MemAvailable: 8374184 kB

                可用内存。已使用，但回收后仍可用，所以大于MemFree。

        Buffers:         50828 kB         块设备占用页缓存大小，如超级块所用的缓存页。

        Cached:         8665304 kB     普通文件页缓存大小。

        SwapCached: 2096 kB         交换分区缓存的大小，即用于匿名页换入换出的缓存。

        Active:             7965496 kB

                active(file) + active(anon) 内存页总和（最近使用的内存页）。

        Inactive:         4651356 kB

                Inactive(file)和Inactive(anon)内存页总和（最近未使用的页）。

        Active(anon):         3603464 kB         最近使用的匿名页。

        Inactive(anon):      1225800 kB         最近未使用的匿名页。

        Active(file):             4362032 kB         最近使用的文件页。

        Inactive(file):           3425556 kB        最近未使用的文件页。

        Unevictable:         25840 kB         不可回收页，如内核进程或驱动使用。

        Mlocked:               25840 kB         页被进程锁定，不能被移动交换回收。

        SwapTotal:            8388604 kB     交换分区总大小。

        SwapFree:            8384060 kB     未使用的交换分区大小。

        Dirty: 8 kB

        Writeback:             0 kB                 正回写页。

        AnonPages:         4198028 kB      匿名页的大小。

        Mapped:               1579700 kB      驱动映射和共享内存。

        Shmem:               130352 kB         共享内存。

        Slab:                     360424 kB        slab缓存大小。

        SReclaimable:       312900 kB        slab中可回收内存大小。

        SUnreclaim:         47524 kB           slab中不可回收内存。

        KernelStack:         4136 kB            当前内核线程的栈大小。

        PageTables:         6812 kB             页表占用内存大小。

        NFS_Unstable:    0 kB                   NFS客户端使用。

        VmallocTotal:        34359738367 kB         vmalloc虚拟地址空间大小。

        VmallocUsed:         329676 kB

        VmallocChunk:       34359396996 kB         vmalloc区域最大连续空闲块的大小。

        HardwareCorrupted:         0 kB

        ShmemPmdMapped:        0 kB

        CmaTotal:                 524288 kB         连续内存区域的总大小。

        CmaFree:                 357464 kB         连续内存区域中可用大小。

        HugePages_Total:         0                   大页。

        Hugepagesize:       2048 kB

        DirectMap4k:         144344 kB

        DirectMap2M:         8146944 kB

        DirectMap1G:         8388608 kB         管理的大内存，1G页对应一个页表，可减少页表。

        

kswapd线程周期性把Active list中符合条件页移到Inactive list中。

/proc/vmstat 内存页使用统计

        nr_free_pages               30248

        nr_inactive_anon           0

        nr_active_anon              2684

        nr_inactive_file               2534

        nr_active_file                  1462

        nr_unevictable                 0

        nr_mlock                         0

        nr_anon_pages               2689

CMA（Contiguous Memory Allocator）

        内核启动时预留CMA的内存大小和位置（由内核启动参数或设备树配置）。

        使用方法：

                驱动申请使用CMA内存时，内核从预留的CMA内存池中分配一块连续物理内存，并返回虚拟地址，供驱动设备DMA操作。

        使用场景：

                USB，网络包处理，图形子系统等。

        内核参数：cma = 256M

/proc/kallsyms

        内核符号表，及其虚拟地址（内核虚拟地址空间）。

        原理：

                编译时，将所有函数和全局变量的地址组成一个数据块，并链接到vmlinux。

                cat /proc/kallsyms 时读取该数据块。

        编译选项：

                CONFIG_KALLSYMS

System.map文件：

        80004000 A swapper_pg_dir 内核虚拟地址空间中的地址。

System.map如何生成？

        linux-3.x/ scripts/ mksysmap，该脚本中执行 nm vmlinux > System.map 生成。

System.map不包含驱动模块中符号。

/proc/kallsyms包含模块等所有符号(即使没有EXPORT_SYMBOL)。

/proc/interrupts

        中断统计信息，包括中断号，中断次数，所属中断控制器。

3. 网络信息

/proc/net/udp

/proc/net/tcp

        包含socket fd、本地地址和端口号、远程地址和端口号、状态，发送队列等信息。

/proc/net/arp         ARP表信息。

        IP address HW type Flags HW address Mask Device

        192.168.150.123 0x1 0x2 6c:b3:11:3f:47:fb * br0

        Flags 0x2：表示该ARP已验证，可使用。

/proc/net/dev 所有网卡统计信息。

        fifo：因队列满的丢包数。

        frame：因帧错误的丢包数。

        carrier：因载波问题的丢包数。

4. 系统控制参数

/proc/sys/ 可写，从而控制系统。

        debug/ dev/ fs/ /kernel/ net/ vm/

cat /proc/sys/vm/swappiness

        查看页交换积极程度。