[Linux]使用dubugfs文件系统

DebugFS，顾名思义，是一种用于内核调试的虚拟文件系统，内核开发者通过debugfs和用户空间交换数据。类似的虚拟文件系统还有procfs和sysfs等，这几种虚拟文件系统都并不实际存储在硬盘上，而是Linux内核运行起来后才建立起来。

通常情况下，最常用的内核调试手段是printk。但printk并不是所有情况都好用，比如打印的数据可能过多，我们真正关心的数据在大量的输出里不是那么一目了然；或者我们在调试时可能需要修改某些内核变量，这种情况下printk就无能为力，而如果为了修改某个值重新编译内核或者驱动又过于低效，此时就需要一个临时的文件系统可以把我们需要关心的数据映射到用户空间。在过去，procfs可以实现这个目的，到了2.6时代，新引入的sysfs也同样可以实现，但不论是procfs或是sysfs，用它们来实现某些debug的需求，似乎偏离了它们创建的本意。比如procfs，其目的是反映进程的状态信息；而sysfs主要用于Linux设备模型。不论是procfs或是sysfs的接口应该保持相对稳定，因为用户态程序很可能会依赖它们。当然，如果我们只是临时借用procfs或者sysfs来作debug之用，在代码发布之前将相关调试代码删除也无不可。但如果相关的调试借口要在相当长的一段时间内存在于内核之中，就不太适合放在procfs和sysfs里了。

有几种方式可以实现上述要求：

1, 使用procfs，在/proc创建文件输出调试信息，但是procfs对于大于一个内存页（对于x86是4K）的输出比较麻烦，而且速度慢，有时回出现一些意想不到的问题。

2, 使用sysfs（2.6内核引入的新的虚拟文件系统），在很多情况下，调试信息可以存放在那里，但是sysfs主要用于系统管理，它希望每一个文件对应内核的一个变量，如果使用它输出复杂的数据结构或调试信息是非常困难的。

3, 使用libfs创建一个新的文件系统，该方法极其灵活，开发者可以为新文件系统设置一些规则，使用libfs使得创建新文件系统更加简单，但是仍然超出了一个开发者的想象。

为了使得开发者更加容易使用这样的机制，Greg Kroah-Hartman开发了debugfs（在2.6.11中第一次引入），它是一个虚拟文件系统，专门用于输出调试信息，该文件系统非常小，很容易使用，可以在配置内核时选择是否构件到内核中，在不选择它的情况下，使用它提供的API的内核部分不需要做任何改动。

挂载

默认情况下，debugfs会被挂载在目录/sys/kernel/debug之下，如果您的发行版里没有自动挂载，可以用如下命令手动完成：

# mount -t debugfs none /your/debugfs/dir

创建目录

使用debugfs的开发者首先需要在文件系统中创建一个目录，下面函数用于在debugfs文件系统下创建一个目录：

struct dentry *debugfs_create_dir(const char *name, struct dentry *parent);

参数name是要创建的目录名，参数parent指定创建目录的父目录的dentry，如果为NULL，目录将创建在debugfs文件系统的根目录下。如果返回为-ENODEV，表示内核没有把debugfs编译到其中，如果返回为NULL，表示其他类型的创建失败，如果创建目录成功，返回指向该目录对应的dentry条目的指针。

创建文件

下面函数用于在debugfs文件系统中创建一个文件：

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

参数name指定要创建的文件名，参数mode指定该文件的访问许可，参数parent指向该文件所在目录，参数data为该文件特定的一些数据，参数fops为实现在该文件上进行文件操作的fiel_operations结构指针。

在一些情况下，开发者可能仅需要使用用户应用可以控制的变量来调试，debugfs也提供了4个这样的API方便开发者使用：

struct dentry *debugfs_create_u8(const char *name, mode_t mode, 
                                   	struct dentry *parent, u8 *value);
struct dentry *debugfs_create_u16(const char *name, mode_t mode, 
                                  	struct dentry *parent, u16 *value);
struct dentry *debugfs_create_u32(const char *name, mode_t mode, 
                                  	struct dentry *parent, u32 *value);
struct dentry *debugfs_create_bool(const char *name, mode_t mode, 
									struct dentry *parent, u32 *value);

参数name和mode指定文件名和访问许可，参数value为需要让用户应用控制的内核变量指针。

在debugfs里，数组可以用blob wrapper来实现。

char hello[32] = "Hello world!\n";
struct debugfs_blob_wrapper b;
 
b.data = (void *)hello;
b.size = strlen(hello) + 1;
debugfs_create_blob("b", 0644, my_debugfs_root, &b);

这里需要注意的是，blob wrapper定义的数据只能是只读的。在本例中，虽然我们把文件b的权限设定为0644，但实际这个文件还是只读的，如果试图改写这个文件，系统将提示出错。

删除文件或者目录

当内核模块卸载时，Debugfs并不会自动清除该模块创建的目录或文件，因此对于创建的每一个文件或目录，开发者必须调用下面函数清除：

void debugfs_remove(struct dentry *dentry);

参数dentry为上面创建文件和目录的函数返回的dentry指针。

debugfs_remove_recursive可以帮我们逐步移除每个分配的dentry，如果您想一个一个手动的移除，也可以直接调用debugfs_remove。

void debugfs_remove_recursive(struct dentry *dentry);

示例：

该示例引自下述链接：
Linux内核里的DebugFS

为了保证模块正确运行，必须让内核支持debugfs，debugfs是一个调试功能，因此它位于主菜单Kernel hacking，并且必须选择Kernel debugging选项才能选择，它的选项名称为Debug Filesystem。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/debugfs.h>
#include <asm/uaccess.h>

struct dentry *my_debugfs_root;

u8 a = 0;
char hello[32] = "Hello world!\n";
struct debugfs_blob_wrapper b;

static int c_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = inode->i_private;
	return 0;
}

static ssize_t c_read(struct file *filp, char __user *buffer,
		size_t count, loff_t *ppos)
{
	if (*ppos >= 32)
		return 0;
	if (*ppos + count > 32)
		count = 32 - *ppos;

	if (copy_to_user(buffer, hello + *ppos, count))
		return -EFAULT;

	*ppos += count;

	return count;
}

static ssize_t c_write(struct file *filp, const char __user *buffer,
		size_t count, loff_t *ppos)
{
	if (*ppos >= 32)
		return 0;
	if (*ppos + count > 32)
		count = 32 - *ppos;

	if (copy_from_user(hello + *ppos, buffer, count))
		return -EFAULT;

	*ppos += count;

	return count;
}

struct file_operations c_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = c_open,
	.read = c_read,
	.write = c_write,
};

static int __init mydebugfs_init(void)
{
	struct dentry *sub_dir, *r_a, *r_b, *s_c;

        printk(KERN_INFO "mydebugfs_init\n");
	
	my_debugfs_root = debugfs_create_dir("mydebug", NULL);
	if (!my_debugfs_root)
		return -ENOENT;

	r_a = debugfs_create_u8("a", 0644, my_debugfs_root, &a);
	if (!r_a)
		goto Fail;

	b.data = (void *)hello;
	b.size = strlen(hello) + 1;
	r_b = debugfs_create_blob("b", 0644, my_debugfs_root, &b);
	if (!r_b)
		goto Fail;

	sub_dir = debugfs_create_dir("subdir", my_debugfs_root);
	if (!sub_dir)
		goto Fail;

	s_c = debugfs_create_file("c", 0644, sub_dir, NULL, &c_fops);
	if (!s_c)
		goto Fail;
	        
        return 0;

Fail:
	debugfs_remove_recursive(my_debugfs_root);
	my_debugfs_root = NULL;
	return -ENOENT;
}

static void __exit mydebugfs_exit(void)
{
        printk(KERN_INFO "mydebugfs_exit\n");

	debugfs_remove_recursive(my_debugfs_root);

        return;
}

module_init(mydebugfs_init);
module_exit(mydebugfs_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

对应的Makefile文件为

EXTRA_CFLAGS := -g
obj-m += my_debugfs.o

default:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ SUBDIRS=$(shell pwd) modules