Linux 文件系统：procfs, sysfs, debugfs 用法简介

1 前言

内核中有三个常用的伪文件系统：procfs，debugfs和sysfs。

procfs — The proc filesystem is a pseudo-filesystem which provides an interface to kernel data structures.
sysfs — The filesystem for exporting kernel objects.
debugfs — Debugfs exists as a simple way for kernel developers to make information available to user space.

它们都用于Linux内核和用户空间的数据交换，但是适用的场景有所差异：

procfs 历史最早，最初就是用来跟内核交互的唯一方式，用来获取处理器、内存、设备驱动、进程等各种信息。
sysfs 跟 kobject 框架紧密联系，而 kobject 是为设备驱动模型而存在的，所以 sysfs 是为设备驱动服务的。
debugfs 从名字来看就是为debug而生，所以更加灵活。

它们仨的挂载方式类似，做个实验：

$ sudo mkdir /tmp/{proc,sys,debug}
$ sudo mount -t proc nondev /tmp/proc/
$ sudo mount -t sys nondev /tmp/sys/
$ sudo mount -t debugfs nondev /tmp/debug/

不过，默认情况下，它们分别挂载在/proc，/sys/，/sys/kernel/debug/。

下面简单介绍这三个文件系统的用法。在介绍之前，请记下他们的官方文档：

procfs — Documentation/filesystems/proc.txt
sysfs — Documentation/filesystems/sysfs.txt
debugfs — Documentation/filesystems/debugfs.txt

2 debugfs
API说明

 struct dentry *debugfs_create_dir(const char *name, struct dentry *parent)
 struct dentry *debugfs_create_file(const char *name, umode_t mode,
                                  struct dentry *parent, void *data,
                                  const struct file_operations *fops)
 
参考实例
 
drivers/base/power/wakeup.c:
 
    /**
     * wakeup_sources_stats_show - Print wakeup sources statistics information.
     * @m: seq_file to print the statistics into.
     */
    static int wakeup_sources_stats_show(struct seq_file *m, void *unused)
    {
            struct wakeup_source *ws;
            seq_puts(m, "name\t\tactive_count\tevent_count\twakeup_count\t"
                    "expire_count\tactive_since\ttotal_time\tmax_time\t"
                    "last_change\tprevent_suspend_time\n");
            rcu_read_lock();
            list_for_each_entry_rcu(ws, &wakeup_sources, entry)
                    print_wakeup_source_stats(m, ws);
            rcu_read_unlock();
            return 0;
    }
    static int wakeup_sources_stats_open(struct inode *inode, struct file *file)
    {
            return single_open(file, wakeup_sources_stats_show, NULL);
    }
    static const struct file_operations wakeup_sources_stats_fops = {
            .owner = THIS_MODULE,
            .open = wakeup_sources_stats_open,
            .read = seq_read,
            .llseek = seq_lseek,
            .release = single_release,
    };
    static int __init wakeup_sources_debugfs_init(void)
    {
            wakeup_sources_stats_dentry = debugfs_create_file("wakeup_sources",
                            S_IRUGO, NULL, NULL, &wakeup_sources_stats_fops);
            return 0;
    }
 
创建完的接口
 
    /sys/kernel/debug/wakup_sources
 
给接口添加多级目录
 
上述接口直接创建在 debugfs 根目录（/sys/kernel/debug）下，所以 debugfs_create_file的parent参数被设置成了NULL，如果要加一级目录，则可以先用 debugfs_create_dir 创建一级目录，例如，要创建：/sys/kernel/debug/power/wakeup_sources 的话，则需要：
 
    struct dentry *power;
    int err = -ENOMEM;
    power = debugfs_create_dir("power", NULL);
    if (!power)
            return err;
    wakeup_sources_stats_dentry = debugfs_create_file("wakeup_sources",
                    S_IRUGO, power, NULL, &wakeup_sources_stats_fops);

3 procfs

API说明
 
    static inline struct proc_dir_entry *proc_mkdir(const char *name, struct proc_dir_entry *parent)
    static inline struct proc_dir_entry *proc_create(const char *name, umode_t mode,
               struct proc_dir_entry *parent, const struct file_operations *proc_fops)
 
参考实例
 
在上面例子的基础上，可以添加如下语句：
 
    static int __init wakeup_sources_debugfs_init(void)
    {
            proc_create("wakelocks", S_IFREG | S_IRUGO, NULL, &wakeup_sources_stats_fops);
            return 0;
    }
 
创建后的接口
 
    /proc/wakelocks
 
给接口添加多级目录
 
这样创建的接口用起来跟 /sys/kernel/debug/wakeup_sources 没有任何差异，类似地，如果要加一级目录，例如 /proc/power/wakelocks，则可以：
 
    struct proc_dir_entry *power;
    int err = -ENOMEM;
    power = proc_mkdir("power", NULL);
    if (!power)
            return err;
    proc_create("wakelocks", S_IFREG | S_IRUGO, power, &wakeup_sources_stats_fops);
 
proc_mkdir 用法跟 debugfs_create_dir 几无差异。

4 sysfs

API说明
 
    struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent)
    int sysfs_create_file(struct kobject * kobj, const struct attribute * attr)
    static inline int sysfs_create_link(struct kobject *kobj, struct kobject *target, const char *name)
    int device_create_file(struct device *dev, const struct device_attribute *attr)
 
参考实例
 
在 /sys/power 下创建一个 wakelocks 节点，用于读/写一个字符串。
 
    static char test_str[11];
    static ssize_t show_wakelocks(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
    {
            int ret;
            ret = snprintf(buf, 10, "%s\n", test_str);
            return ret;
    }
    static ssize_t store_wakelocks(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
                                  const char *buf, size_t count)
    {
            int tmp;
            ret = sscanf(buf, "%10s", test_str);
            if (ret != 1)
                    return -EINVAL;
            return count;
    }
    define_one_global_rw(wakelocks);
    static int __init wakelocks_init(void)
    {
            int ret;
            ret = sysfs_create_file(power_kobj, &wakelocks.attr);
    }
 
创建后的节点
 
    /sys/power/test_node
 
给接口添加多级目录
 
咱们上面其实已经把 test_node 创建在 /sys/power 目录下，而非根目录 /sys 下，而参数 power_kobj 为内核已经在 kernel/power/main.c 创建的kobject对象。
 
    struct kobject *power_kobj;
    power_kobj = kobject_create_and_add("power", NULL);
    if (!power_kobj)
        return -ENOMEM;
 
在 sysfs 中，有另外一个常见用法，那就是在一个 kobject 对应的目录下创建一个符号（属性文件）指向另外一个 kobject 对应的目录，通常这个是为了方便记忆和访问。这个API是 sysfs_create_link。
 
这种创建符号链接方法其实有一个很特殊的实例，那就是在驱动模型里头，有一个 class 的概念，它把挂在不同总线上，但是实现类似功能的设备进行归类，比如说 input 类，backlight 类等。
 
如果设备属于一个现存的类，比如 backlight，那么可以用 backlight_device_register 创建，如果是 I2C 设备，会先在I2C下创建 sysfs 访问节点，并创建一个符号链接到 backlight 类所属的目录下。
 
当然，如果没有找到设备能挂的直观的类，也可以用 class_create 创建类，设备类通常会有一组默认的设备操作接口，例如 backlight 类有 bl_device_attributes，如果要创建更多的设备特定的节点，可以用 device_create_file 或者 device_add_groups 创建节点或者节点群。

5 小结

通过比较发现，上述三个文件系统的 API 用法类似，而其中 debugfs 和 procfs 几乎有相同的参数，用的主要结构体是 struct file_operations，蛮多操作可以用 seq_* 家族的函数来实现。而 sysfs 则用到比较简单一些的 struct global_attr 结构体。对于提供给用户空间的节点，都可以轻松实现读写操作。

在创建目录方面，debugfs 和 procfs 类似，且比较简单。而 sysfs 要创建一级目录，需要先创建一个 kobject 对象。

为了简化设备模型依据总线创建的访问节点路径，sysfs 提供了API用于创建更简易的符号链接，可以创建到自己指定的目录下，也可以用设备类（Class）提供的API创建到设备类所属的目录下。

对于 sysfs，由于 kobject 与 device 的一对一依存关系，也可以直接用 device_create_file 来创建节点。