Lab 017 · tmpfs 验证

对应 document/book/08-filesystem/017/。验证档 A 档:这一章交付的是 /tmp 真挂上、能在里头 mkdir/touch/echo/cat、运行时 mount/umount 真能挂真能卸。注意 tmpfs 没有 host 单测——核心逻辑依赖 kernel-only 路径(inode_ref、kernel/lib/string.hpp),host 链不进来,所以机制测走 kernel harness;boot 真 /tmp 靠 make run 冒烟 + busybox smoke。

目标

确认五件事:

1. tmpfs 是内存型虚拟 FS 范式的第三次复用(DevFS 010 / ProcFS 011 立的模子),但内容是真数据(住堆上的 uint8_t* data);
2. 写路径三件事:4KB 对齐摊销扩容、gap 零填防 stale 堆字节、is_page_cacheable() 默认 false 绕开磁盘 PageCache;
3. 目录树是单向兄弟链表(first_child+next_sibling,无上限,头插),支持运行时 create/mkdir/unlink;
4. 两条挂载通路:boot 静态 g_tmpfs unowned、sys_mount 堆对象 owned=true,差别全在 vfs_mount_add 那个 bool;
5. boot 真挂 /tmp:make run 见 [TMPFS] mounted at /tmp,busybox 能在里面读写建删。

步骤

1. kernel 测试:tmpfs 机制(无 host 单测)

tmpfs 核心逻辑走 kernel harness(不是 host 单测):

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "tmpfs" | head

应看到 test_tmpfs::test_mount_and_root 等十项 PASS(test_tmpfs.cpp:287 的 TmpFs section):mount+root、create/write/read 往返、append+offset read、truncate 缩放、跨 4KB 边界扩容 + gap 零填、mkdir+readdir+嵌套 lookup、stat(file+dir)、unlink(文件 + 空目录/非空目录拒删)、负面路径(缺项/重名/穿文件下走)。测试用栈局部 TmpFs 直驱 InodeOps(TmpFs tfs; tfs.mount();),不走挂载表/syscall,确定性高。

为什么没 host 单测?tmpfs.cpp 虽然没 kprintf(纯逻辑),但它依赖 kernel/fs/file.hpp(inode_ref)、kernel/lib/string.hpp(memcpy/memset/strlen)这些 kernel-only 路径,host 链进来缺符号。这跟 DevFS(有 CharSink 注入缝、host 可测)不一样,跟 ProcFS(直读 registry、host 不可测)更像。要 host 可测得抽注入缝,留 follow-up。

2. syscall 级真挂测

还有一例在 syscall 测试里,验证 tmpfs 经挂载表 + syscall 路径端到端通:

grep -n "setup_tmpfs_at_tmp\|test_sys_open_creates_tmpfs_file_with_o_creat" kernel/test/test_vfs_syscall.cpp

应看到 setup_tmpfs_at_tmp(test_vfs_syscall.cpp:80)把堆 TmpFs 真注册进 /tmp 全局挂载表(vfs_mount_add("/tmp", tfs),默认 2-arg 即 owned=false),然后 test_sys_open_creates_tmpfs_file_with_o_creat(test_vfs_syscall.cpp:224)用 do_openat_kernel(O_CREAT) 在 /tmp 下建文件、lookup+stat 验内容真落在 tmpfs 里。这例补上了「机制测」缺的那一腿——经 vfs_resolve 命中挂载表、走真 syscall 路径。

3. 数据存哪:TmpNode + 写路径三件事

sed -n '19,29p' kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp

应看到 struct TmpNode:内嵌 Inode + fs/fs_private 指回自身(从 DevFS 的「单例 FS 指自己」升级到「per-node 指自己」)、parent/next_sibling/first_child 三条链、name[kTmpfsNameMax],最后三件套 uint8_t* data + uint64_t capacity + uint64_t size(DevFS 没这部分,它不存数据)。

再看写路径:

sed -n '126,163p' kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp

TmpFileOps::write 三件事一眼能看到:(1) need > capacity 时 round_up_capacity(need)(tmpfs.cpp:35-41)按 kTmpfsGrowthAlign = 4096(tmpfs.hpp:58)向上取整、new uint8_t[newcap]、拷旧前缀、delete[] 旧;(2) offset > size 的 gap memset 零填(tmpfs.cpp:146-148 扩容腿、tmpfs.cpp:152-156 原地腿);(3) 最后 memcpy(node->data + offset, buf, count) 真写入。

is_page_cacheable() 的「故意不做」。grep 一下 tmpfs 的实现文件里有没有覆写这个虚函数:

grep -n "is_page_cacheable" kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp

应看到零命中——TmpFileOps/TmpDirOps 没有任何一行覆写 is_page_cacheable()。(注意别把 .hpp 一起 grep:tmpfs.hpp:27 的文件头注释里提到了这个函数名,会多出一条说明性注释的命中,跟「有没有覆写」是两码事;只搜 .cpp 最干净。)再看基类默认:

sed -n '99,101p' kernel/fs/inode.cpp

InodeOps::is_page_cacheable() 默认返 false(源码是裸 return false;)。于是 sys_read.cpp:48 / sys_write.cpp:53 的 gate 都判否,直连 ops->read / ops->write,tmpfs 内容永远不进 g_page_cache。正确性来自一个被故意留在默认值的虚函数,不是显式代码——这是特性(内存型 FS 不该进磁盘 cache),不是漏。

4. 目录树:单向兄弟链表代替定长表

对照 DevFS 的定长表:

grep -n "DEVFS_MAX_NODES\|nodes_\[" kernel/fs/devfs/devfs.hpp

应看到 DEVFS_MAX_NODES = 16(devfs.hpp:40)+ DevNode nodes_[DEVFS_MAX_NODES](devfs.hpp:179)——定长、mount() 时焊死。tmpfs 不一样:

sed -n '314,346p' kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp

make_node(create/mkdir 共用):校验名字长 → find_child 去重(返 AlreadyExists)→ new TmpNode{} value-init(指针 nullptr、size 0)→ fs_private 指回自身 → ops 按类型从 FS 单例取(同类共享一个 ops)→ 头插进 dir->first_child(node->next_sibling = dir->first_child; dir->first_child = node;)。无上限,跟 DevFS 的定长 16 形成对照。

再看 unlink 怎么摘链:

sed -n '256,288p' kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp

unlink 带 prev 指针(单向链表删中间节点必须记前驱),prev == nullptr 改头、否则 prev->next_sibling = c->next_sibling。注意 tmpfs.cpp:277-279:非空目录拒删返 Error::IOError(因为 Error 枚举没 DirectoryNotEmpty),syscall 边界映射 kEio。契约满足(op 失败),但 errno ≠ Linux 的 ENOTEMPTY——这是已知缺口,代码注释明说。

5. 两条挂载通路:差别全在 owned bool

boot 通路:

sed -n '33,50p' kernel/fs/tmpfs/tmpfs_init.cpp

应看到静态局部 TmpFs g_tmpfs;(tmpfs_init.cpp:33,命 = 整个内核运行)→ mount() → vfs_mount_add("/tmp", &g_tmpfs)(默认 2-arg,owned=false)→ kprintf("[TMPFS] mounted at /tmp")。boot 用静态是因为 /tmp 必须活到关机,挂载表只是中途登记指针;owned=false 让 umount2("/tmp") 只摘槽不释放(否则 delete 静态对象 = UAF)。

运行时通路:

sed -n '51,67p' kernel/syscall/sys_mount.cpp

do_mount_kernel 看到 fstype == "tmpfs":unique_ptr<TmpFs> 持 new TmpFs() → mount() → release() 交裸指针 → vfs_mount_add(target, fs, /*owned=*/true)(sys_mount.cpp:61)。owned=true 是关键。错误腿(mount 失败 / 表满)都有显式 delete 回收。

看挂载表怎么按 owned 决定删不删:

sed -n '86,100p' kernel/fs/vfs_mount.cpp

vfs_mount_remove 看到 owned=true 就 delete g_mount_table[i].fs(vfs_mount.cpp:93-95),TmpFs 析构(tmpfs.cpp:369-373)递归 free_tree(tmpfs.cpp:351-363)释放整棵树;owned=false 只摘槽(vfs_mount.cpp:96-98)。实际决定生命周期的是「挂载表登不登记所有权」,不是「对象在哪创建」。

顺手核一下 boot 顺序:

grep -n "devfs::init\|procfs::init\|tmpfs::init" kernel/proc/init.cpp

应看到 devfs::init(init.cpp:137)→ procfs::init(init.cpp:141)→ tmpfs::init(init.cpp:145),tmpfs 在最后挂。

6. boot 真挂 /tmp + busybox smoke

冒烟(test kernel 不走 boot,要起真内核):

cmake --build build --target run

boot 序列应出现 [TMPFS] mounted at /tmp(tmpfs_init.cpp:48 的 kprintf)。进 shell 后用 busybox 做四组操作:

展开代码 (共 22 行)收起代码

# (1) 可写可读
echo hello-tmpfs > /tmp/hello.txt
cat /tmp/hello.txt          # 应见 hello-tmpfs

# (2) 目录可建可列可删
mkdir /tmp/build
touch /tmp/build/a.o /tmp/build/b.o
ls /tmp/build               # 应见 a.o b.o
rm /tmp/build/a.o
ls /tmp/build               # 应只剩 b.o

# (3) 容量按 4KB 扩容——写超过 4096 字节
head -c 8192 /dev/zero > /tmp/big.bin    # /dev/zero 见 010 DevFS
stat /tmp/big.bin            # st_size 应是 8192(具体 stat 输出看 busybox 版本)

# (4) 运行时 sys_mount 真挂真卸
mount -t tmpfs none /mnt/tmp
touch /mnt/tmp/gone
ls /mnt/tmp                  # 应见 gone
umount /mnt/tmp
mount -t tmpfs none /mnt/tmp
ls /mnt/tmp                  # 应空——owned backend 真 delete,不是 stale 残留

第 (4) 组是关键验证:umount 后再 mount 同路径,文件不见了——证明 sys_mount 路径的 owned=true 让 vfs_mount_remove 真的 delete 了那个堆 TmpFs(free_tree 递归回收),新 mount 是个全新实例,不是上个实例的 stale 残留泄漏进来。

第 (3) 组验证容量扩容,但 dd/head 写 /dev/zero 不直接验 gap 零填(全零写进去看不出 gap)。要亲手摸 gap 零填,设计一个 offset 续写的小场景:先写 50 字节非零内容,再用 dd seek= 或 busybox 的 offset 写法在 4090 处续写,再读 [50,100) 那段——应是零,不是上个堆用过的字节。kernel 测试 test_grow_past_4k_boundary_and_gap(test_tmpfs.cpp:138)就是干这个的,host 侧 busybox 复现留给读者自己折腾(诚实标注:busybox 的 offset 写入工具有限,这步在 QEMU 里不一定好做,核心证据靠 kernel 测试那例就够)。

两腿汇总:

cmake --build build --target run-kernel-test-all 2>&1 | grep -E "Tests: [0-9]+ passed" | tail -2

应看到单核 + -smp 2 两腿各 N passed, 0 failed。N 须在 Book 工作树真跑后填——基线 CINUX_TEST_BASELINE 默认 875(scripts/check_test_count.sh:14),tmpfs 的 10 例机制测 + 1 例 syscall 真挂测都进 big_kernel_test。源仓库 dev note 记的数是源仓库的,Book 侧须独立验证,不能照抄。

进阶题(不给答案,留给真做过的读者)

这两题故意不给标准答案——题里点出的缺口,章节「这章没做的」已经交代过原因。lab 这儿只给场景和观察方法,答案你自己去跑出来、对照章节理解为什么会这样。别在 shell 里折腾(shell 的 rm/open 不在同一个进程,行为绕),写个小 userland 程序试最干净。

题一:last-close 语义缺口。写个小 userland 程序:open("/tmp/foo", O_CREAT|O_WRONLY) 写点东西进去,不 close,直接 unlink("/tmp/foo"),然后从那个还开着的 fd read(或者 write 再 read)。观察发生了什么——返回值、是否崩、读到的内容。对照章节「这章没做的」里「无 inode 级 last-close 语义」那一条,理解为什么 Linux 的 unlink-with-open-fd 需要 inode refcount,以及为什么本章把它留作 follow-up。你的观察结论写不写出来都行,关键是亲手踩到这个简化。

题二:非空目录 errno 缺口。写个小 userland 调 mkdir("/tmp/d") → touch /tmp/d/x → rmdir("/tmp/d")(或 unlink 目录),然后 perror 看 errno。再在 Linux 上跑同样程序对比 errno 值。观察两边 errno 差在哪。对照章节「非空目录删除返 EIO 而非 ENOTEMPTY」那一条,理解「契约满足(op 确实失败了)但 ABI 不精确」是什么滋味——以及为什么子模块的 Error 枚举缺项会让一个语义清晰的失败落成语义模糊的 errno。

验收清单

• [ ] run-kernel-test 见 test_tmpfs 十项 PASS(无 host 单测——核心逻辑依赖 kernel-only 路径)。
• [ ] test_vfs_syscall.cpp:224 test_sys_open_creates_tmpfs_file_with_o_creat PASS(syscall 级真挂测,经挂载表 + do_openat_kernel(O_CREAT))。
• [ ] tmpfs.cpp:19-29 TmpNode 内嵌 Inode + fs_private 指回自身 + data/capacity/size 三件套;tmpfs.cpp:126-163 write 三件事(4KB 扩容 + gap 零填 + memcpy)。
• [ ] grep is_page_cacheable kernel/fs/tmpfs/tmpfs.cpp(只搜 .cpp)零命中;inode.cpp:99-101 默认返 false;sys_read.cpp:48/sys_write.cpp:53 gate 判否直连 ops。
• [ ] tmpfs.cpp:314-346 make_node 头插单向兄弟链表;tmpfs.cpp:256-288 unlink 带 prev 摘链,非空目录返 Error::IOError(tmpfs.cpp:277-279)。
• [ ] tmpfs_init.cpp:33-50 boot 静态 g_tmpfs + vfs_mount_add("/tmp", &g_tmpfs) 默认 owned=false;sys_mount.cpp:51-67 堆对象 owned=true;vfs_mount.cpp:93-95 owned-aware delete。
• [ ] make run 见 [TMPFS] mounted at /tmp;busybox smoke 四组(读写/建删/扩容/mount-umount-remount)全过;run-kernel-test-all 两腿 passed ≥ 基线 875。

别做这些

• 别找 host 单测——tmpfs 核心逻辑依赖 kernel-only 路径(inode_ref/kernel/lib/string.hpp),host 链不进来。机制测走 kernel harness。要 host 可测得抽注入缝(同 DevFS 的 CharSink 思路),留 follow-up。
• 别把 is_page_cacheable 的 grep 范围扩到 .hpp——tmpfs.hpp:27 文件头注释提到了这个函数名,会多出一条命中干扰判断。只搜 tmpfs.cpp,零命中才说明没覆写。
• 别以为 tmpfs 内容进 PageCache——它不进。is_page_cacheable() 默认 false 是特性(内存型 FS 不该进磁盘 cache),不是缺陷。tmpfs 没有任何一行覆写这个虚函数,靠基类默认逃生。
• 别照抄源仓库 dev note 的测试数(1070/1081 那类)——那是源仓库的,Book 侧须用 scripts/check_test_count.sh 真跑后独立验证(基线 875,真跑后填实际数)。
• 别断言非空目录删除的 errno 等于 ENOTEMPTY——Error 枚举没这枚项,tmpfs 返 Error::IOError → kEio。测试只能断言「op 失败」(返回非零),不能断言具体 errno 值。
• 别以为 ln -s/mv/link 在 /tmp 下能用——tmpfs 的 TmpFileOps/TmpDirOps 没覆写 symlink/link/rename,落到基类返 NotImplemented → kEnosys。busybox ln -s、mv 在 /tmp 下会失败,这是已知缺口(见章节「这章没做的」)。
• 别以为「先 open 再 unlink」安全——tmpfs 无 last-close 语义,unlink 直接 delete node,open fd 立刻悬垂。依赖 close-before-unlink(GCC 临时文件模式正是如此),真 last-close 留 follow-up。
• 别误标 boot 挂载 owned=true——会让 sys_umount2("/tmp") 在 vfs_mount_remove 里 delete 静态 g_tmpfs,双重释放/崩溃。boot/static 接线永远 owned=false(默认 2-arg),只有 sys_mount 这种「对象是调用方 new 出来的」路径才传 true。
• 别指望 /proc/mounts 列出当前挂载——ProcFS 动态节点扩展没做,busybox mount(无参)列不出。但挂载本身是生效的(vfs_resolve 能命中),用 ls /mnt/tmp 之类间接验。
• 别指望 size=/mode= 挂载选项或 swap 回收——都没做。tmpfs 理论上可吃光全部堆,无配额。MS_/MNT_ flags 全接受但忽略。

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