Lab 018 · mount/umount 验证

对应 document/book/08-filesystem/018/。验证档 A 档:这一章交付的是 sys_mount -t ext2 /dev/sda 真能挂一块盘、umount2 能干净回收、mount factory 四类分支各走各的路。注意挂载表纯逻辑有 host 单测,factory 四类分支没有——依赖内核态类(TmpFs/ProcFs/DevFs/Ext2 + DevFS + BlockRegistry),host 上没有,工厂逻辑验证全在 kernel harness;真挂一块 ext2 盘 + busybox smoke 靠 make run 冒烟。

目标

确认五件事:

1. mount factory 是 fstype 驱动的四类分发——do_mount_kernel 按 fstype 字符串走路由(tmpfs / proc·devfs / ext2·ext4 / 未知 ENODEV),跟 017 tmpfs 章是同一张表的不同行;
2. 块设备挂载链是三层解析(015 deferred 的核心)——source 路径 → vfs_lookup(NoFollow) 拿 Inode → block_device() 虚方法抽 IBlockDevice → new Ext2(dev);
3. owned bool 统一三类生命周期(承 017)——堆 owned / 单例 unowned / 未知 ENODEV;
4. 四个 errno 精确分工——EINVAL/ENOENT/ENXIO/ENODEV;
5. boot 真挂 ext2 根盘:make run 见 [VFS] ext2 mounted at /,busybox 能在运行时 mount/umount tmpfs(owned 真回收)。

步骤

1. host 单测:挂载表纯逻辑

挂载表的表操作(init/add/remove/resolve/最长前缀匹配)有 host 单测,先跑这个:

cmake --build build --target test_vfs_mount 2>&1 | tail
ctest --test-dir build -R vfs_mount 2>&1 | tail

应见 test/unit/test_vfs_mount.cpp 的 19 个 TEST 全 PASS(注册在 test/CMakeLists.txt:255,链真 kernel/fs/vfs_mount.cpp,MockFileSystem 只是后端替身)。覆盖:空表、加单点、加多点、表满返 false、nullptr path/fs 返 false、空路径返 false、正常删除、删不存在返 false、精确匹配、最长前缀匹配(/mnt 赢过 /)、无匹配返 nullptr、remove+re-add 循环。

这层不覆盖 factory 四类分支——do_mount_kernel 的 tmpfs/proc/devfs/ext2 分支依赖内核态类(TmpFs/ProcFs/DevFs/Ext2 + DevFS + BlockRegistry),host 上没有。factory 逻辑验证走 kernel harness 下一节。

2. kernel 测试:test_mount 八例全跑

factory + umount 语义 + 错误码 + ownership,全在 kernel 测试里:

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -A2 "mount/umount2"

应见 run_mount_tests(test_mount.cpp:184-195)注册的 8 例 PASS,挂在一个 mount/umount2 section 头下(test_mount.cpp:185 的 TEST_SECTION):

例	测什么	行号
test_mount_tmpfs_resolves	tmpfs 基本链 mount→resolve→umount→detach	:56-61
test_mount_then_create_write_read	tmpfs 全闭环 create/write/read 字节对得上	:63-85
test_mount_unknown_fstype_is_enodev	ext2 无 source→EINVAL、nonsense→ENODEV	:87-93
test_umount_missing_is_enoent	不存在→ENOENT、空/null→EINVAL	:95-99
test_remount_after_umount_is_fresh	owned 后端真释放,二次 mount 文件不见	:104-125
test_mount_proc_shares_singleton	proc 二次挂共享 boot 单例,umount 后原 /proc 还在	:131-143
test_mount_devfs_factory	devfs init 过共享单例、没 init 返 ENODEV	:149-162
test_mount_ext2_from_block_device	/dev/sda→Ext2 真挂,root inode 解析得通	:168-180

test_mount_ext2_from_block_device 的 guard 不是 skip。 它开头 if (BlockRegistry::lookup("sda") == nullptr) return;(test_mount.cpp:169-171)看起来像 skip,但 run-kernel-test 的 boot 路径 main_test.cpp:230-234 已经注册了 sda(AHCI port1 ext2 盘),guard 永不触发——8 个断言全跑真路径。grep boot 日志确认:

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "sda|ext2 mounted|BlockRegistry"

应见 ext2 mounted at / for smoke 这类行(main_test.cpp:228,行里带有源码内部 milestone 标记,读者不用关心那串代号,认 ext2 mounted at / 这个子串即可)——sda 真注册了,guard 不触发。

3. factory 四类分发:数 strcmp 出现的次数

do_mount_kernel 是个按 fstype 字符串分派的工厂。grep 一下到底分了几类:

grep -n 'strcmp(fstype,' kernel/syscall/sys_mount.cpp

应见 5 行命中,但只有 4 行在工厂主体 do_mount_kernel 里,第 5 行在 wrapper 里。逐行对照:

• :52 tmpfs —— 工厂第一分支。
• :72 proc / devfs(同一 if 用 || 连)—— 工厂第二分支。
• :73 proc(三目运算符里再判一次,用来在 procfs::instance() 和 devfs::instance() 之间二选一)—— 工厂第二分支内部的选择,不算第四类。
• :90 ext2 / ext4(同一 if 用 || 连)—— 工厂第三分支。
• :149 ext2 / ext4(再判一次)—— 不在工厂里,在 sys_mount wrapper(:131-157)的 source-read guard,只对 ext2/ext4 才读 source 用户态路径。

所以「四类 fstype 分发」对应工厂主体里的 4 行(:52/:72/:73/:90),兜底分支在 :123-128 没 strcmp 直接 return -kEnodev,wrapper 的 :149 那行是 ext2/ext4 专属的 user-ptr 读取门,别把它误数进工厂分支。读者跑 grep 看到 5 行属正常,5 行各自归属见上。

ext4 复用 Ext2。strcmp(fstype, "ext4") == 0 命中的也是 new Ext2(dev)(sys_mount.cpp:108)——Cinux 没有 Ext4 类,extent-mapped inode 靠 i_flags & EXT4_EXTENTS_FL(ext2_extent.hpp:26-28)路由,不另起炉灶。所以 -t ext4 和 -t ext2 在 Cinux 是一回事。

4. 块设备挂载链:三层解析逐行核

本章核心。完整贴出来逐层核:

sed -n '90,121p' kernel/syscall/sys_mount.cpp

三层一眼能看到:

• 第一层 vfs_lookup(source, NoFollow)(:94-95)——LookupFlag::NoFollow = 1u << 5(vfs_lookup.hpp:39),语义「末段是 symlink 也不要 follow」。/dev/sda 是设备节点本身不是软链,但语义上必须 NoFollow——否则 Follow 模式下若末段偶为 symlink 会被解析到非块设备目标误判 ENXIO。
• 第二层 ino->ops->block_device(ino)(:100-101)——InodeOps 虚方法,默认 nullptr(inode.hpp:230-236),只有 DevFS 的 BlockDevOps override 返 dev_(devfs.cpp:163-164)。拿到 ref 后必须 inode_unref(ino)(:102-104)平账,否则引用计数泄漏。dev == nullptr 返 -kEnxio(:105-107)。
• 第三层 new Ext2(dev) + mount()(:108-113)——unique_ptr RAII 守到成功才 release()(:114),vfs_mount_add(target, fs, /*owned=*/true)(:115)。Ext2 构造签名 explicit Ext2(IBlockDevice* dev)(libs/ext2/ext2.hpp:56)。

5. 三个 errno 的精确分工

最容易混的三个 errno,写测试断言时别用错。读 test_mount.cpp:87-99 对照:

sed -n '87,99p' kernel/test/test_mount.cpp

应见:

• EINVAL(kEinval = 22,errno.hpp:38)——ext2/ext4 没给 source(source == nullptr || source[0] == '\0',sys_mount.cpp:91-93)。test_mount_unknown_fstype_is_enodev(:89)第一句 do_mount_kernel(nullptr, kPathA, "ext2", 0) 断言返 -kEinval。
• ENODEV(kEnodev = 19,errno.hpp:35)——未知 fstype(sys_mount.cpp:127-128)或 proc/devfs 单例未 init(sys_mount.cpp:77)。test_mount_unknown_fstype_is_enodev(:91)第二句 do_mount_kernel(nullptr, kPathA, "nonsense", 0) 断言返 -kEnodev。
• ENOENT(kEnoent = 2,errno.hpp:23)——source 路径不存在(vfs_lookup 返 NotFound,经 to_errno 映射)或 umount target 不在挂载表(sys_umount2.cpp:29)。test_umount_missing_is_enoent(:96)断言 -kEnoent。
• ENXIO(kEnxio = 6,errno.hpp:27)——source 解析得通但不是块设备(block_device() 返 nullptr,sys_mount.cpp:106)。Linux 约定「要求块设备但给了非块设备」正是 ENXIO,不是 ENODEV——这俩 errno 语义不同,别混。

6. owned 生命周期:三类在一个 bool 上收敛

挂载表的 owned 字段(vfs_mount.hpp:47)收敛三类对象。逐个核:

sed -n '38,48p' kernel/fs/vfs_mount.hpp   # MountPoint 结构 + owned 注释
sed -n '79,104p' kernel/fs/vfs_mount.cpp  # vfs_mount_remove 的 if(owned) delete 分叉

vfs_mount_remove 的核心就是 if (g_mount_table[i].owned) delete g_mount_table[i].fs;(vfs_mount.cpp:93-95)——owned=true 连 FS 一起 delete,owned=false 只摘点。三类对照:

• boot/static 接线 owned=false——init.cpp:123(/)、tmpfs_init.cpp:44(/tmp)、devfs_init.cpp:174(/dev)、procfs_init.cpp:39(/proc)全用默认 2-arg;
• sys_mount 堆分配 owned=true——sys_mount.cpp:61(tmpfs)、sys_mount.cpp:115(ext2/ext4);
• sys_mount 二次挂单例 owned=false——sys_mount.cpp:79(proc/devfs 二次挂共享 boot 单例)。

最硬的证据是 test_remount_after_umount_is_fresh(test_mount.cpp:104-125):

sed -n '104,125p' kernel/test/test_mount.cpp

应见:mount tmpfs → create 一个 stale 文件 → umount(owned backend 真 delete,free_tree 回收整棵树)→ 再 mount 同路径 → lookup_or_null(fs, "stale") 断言 nullptr(:122)。文件不见了 = owned 后端真被 delete 了,新 mount 是全新实例不是 stale 残留。

boot 误标 owned=true 会炸。 若 boot 静态挂载误传 owned=true,sys_umount2("/tmp") 会在 vfs_mount_remove 里 delete 静态 g_tmpfs —— 双重释放/崩溃。所以 tmpfs::init、devfs::init、procfs::init 全用默认 2-arg(owned=false)是刻意的安全约束,不是省事。这条纪律写在 vfs_mount.hpp:42-47 的注释里。

7. BlockRegistry + DevFS block node:块设备怎么进 /dev

块设备身份在 boot 期登记进两张表,通过 devfs::init 桥接。逐个核:

# BlockRegistry:扁平名字表(无 major/minor,只要字符串名)
sed -n '21,40p' kernel/drivers/block_registry.hpp
sed -n '36,53p' kernel/drivers/block_registry.cpp   # register_device 三道门:null/重名/表满

应见 MAX_DEVICES = 16 / NAME_MAX = 32(block_registry.hpp:23-24),register_device 注释「duplicate name -- a bug in boot wiring」(block_registry.cpp:46)——重名不是正常情况,是 boot 接线写错了。

# devfs::init 桥:遍历 BlockRegistry 投影进 /dev/<name>
sed -n '168,172p' kernel/fs/devfs/devfs_init.cpp

应见 for (i in BlockRegistry::count()) g_devfs.add_block_node(name_at(i), device_at(i));——这是 BlockRegistry 和 DevFS 两张表的桥。

# BlockDevOps override 三件事
sed -n '147,168p' kernel/fs/devfs/devfs.cpp

应见 stat 给 S_IFBLK(0x6000)|0660 + blksize 512(:158-159)、block_device 返 dev_(:163-164)、没 override read/write(:141-144 注释明说块设备靠 mount fs 消费不直接读裸字节)。没 override 意味着继承 InodeOps::read/write 默认实现(inode.cpp:15/:19 返 NotImplemented),to_errno 把它映成 -ENOSYS(errno.hpp:88-89,kEnosys = 38)——所以 cat /dev/sda 失败返的就是 ENOSYS,不是别的 errno。

两个 boot 注册点对照:

grep -n "register_device" kernel/proc/init.cpp kernel/test/main_test.cpp

应见生产 boot init.cpp:130(sda=root_bdev)+ :133(sdb 或 sda=virtio_blk,看冲突);测试 boot main_test.cpp:233(sda=AHCI port1 ext2 盘)。

8. InodeOps::block_device() 虚方法:设备身份槽

整条链最反直觉的设计——把 IBlockDevice* 暴露给 sys_mount 的不是某个块设备 API,而是 InodeOps 的一个虚槽:

sed -n '230,236p' kernel/fs/inode.hpp        # 基类默认 nullptr
sed -n '163,164p' kernel/fs/devfs/devfs.cpp  # BlockDevOps override 返 dev_

基类默认 return nullptr;,只有 BlockDevOps override。grep 一下全树有多少处 override:

grep -rn "block_device.*override" kernel/ libs/ | grep -v '///'

grep 末尾 | grep -v '///' 是过滤文档注释——不加这个过滤,devfs.hpp:151 那行注释(/// InodeOps::block_device() override exposes @p dev ...)同时含 block_device 和 override 两个词会被命中,看到 2 行容易误以为有两处 override。过滤后只剩代码行。

应见唯一一处真 override——devfs.cpp:164 的 BlockDevOps。其他所有 InodeOps 子类(Ext2FileOps/TmpFileOps/TmpDirOps/ProcStatFileOps/DevDirOps/...)继承默认 nullptr,零代码。这就是「加虚方法却不破坏派生类」——sys_mount 不需要知道 DevFS 内部结构、不 down-cast、不硬编码「如果是 DevFs 就走某条路」,全靠虚分派。

9. boot 真挂 + busybox mount/umount 冒烟

起真内核(test kernel 不走 boot,要起真内核才能验用户态 mount):

cmake --build build --target run

boot 序列应出现(章节里点过):

[VFS] ext2 mounted at /                # init.cpp:124
[DEVFS] mounted at /dev (N nodes)      # devfs_init.cpp:178
[PROCFS] mounted at /proc              # procfs_init.cpp:43
[TMPFS] mounted at /tmp                # tmpfs_init.cpp:48

进 shell 后用 busybox 做四组操作:

# (1) 运行时 sys_mount 真挂 tmpfs(017 验过,这里复用)
mount -t tmpfs none /mnt/tmp
touch /mnt/tmp/gone
ls /mnt/tmp                  # 应见 gone

# (2) umount 真回收——再 mount 同路径,文件不见了
umount /mnt/tmp
mount -t tmpfs none /mnt/tmp
ls /mnt/tmp                  # 应空——owned backend 真 delete,不是 stale 残留

# (3) 错误码冒烟——未知 fstype 返 ENODEV
mount -t nonsense none /mnt/x 2>&1; echo "exit=$?"   # 应非 0
# 注:/proc/mounts 没有,busybox mount(无参)列不出当前挂载,这是已知缺口

# (4) 块设备挂载(若有第二块盘)
# mount -t ext2 /dev/sda /mnt/disk   # 看你的 boot 注册了哪些块设备
# ls /mnt/disk                        # 应见 ext2 根目录内容

第 (2) 组是 owned 真回收的关键验证——umount 后再 mount 同路径,文件不见了。

第 (3) 组验证 errno 分工,但 busybox 的错误信息可能不直接显示 errno 名(显示「mount: ...」之类的文本)。要看精确 errno,写个小 userland 程序调 syscall(__NR_mount, ...) 然后 perror 看——或者直接信 test_mount.cpp:87-93 的断言(host 上跑不到 factory,kernel 测是 errno 的最硬证据)。

退路:没真块设备时造 ramdisk。 如果你的 boot 没注册任何块设备(比如 slim boot),test_mount_ext2_from_block_device 的 guard 会触发 return。要 host 可复现地验 ext2 factory,可以用 RAMBlockDevice(kernel/drivers/ram_block_device.hpp:36,内存里的 IBlockDevice 实现)造一个 ramdisk,往里写个最小 ext2 镜像(超级块 + 块组描述符 + 一个根 inode),BlockRegistry::register_device("sda", &ram_dev) 注册进去,再 devfs::init 投影——这是 host 上验证 ext2 factory 的退路。但这需要自己搭 ext2 镜像,工作量不小,核心证据靠 kernel 测试那例(test_mount.cpp:168-180)+ make run 冒烟就够。

两腿汇总:

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

应见单核 + -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),mount 这 8 例都进 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。

题一:flags accepted but ignored 的边界。写个小 userland 程序调 mount syscall,分别传 flags = 0、flags = MS_RDONLY(0x1)、flags = MS_RDONLY | MS_NOSUID(0x1 | 0x2)。挂 tmpfs 到三个不同路径,然后在每个路径下 touch 一个文件、chmod +x 看能不能执行、echo 看能不能写。观察三组行为有没有差别。对照章节「MS_* flags accepted but ignored」那一条,理解「ABI 接受」和「语义生效」的差距——为什么一个能 mount 的内核,第一步是「接受这个调用不让它崩」,第二步才是「真的按 flag 行事」。

题二:忙挂载不返 EBUSY。写个小 userland:mount -t tmpfs none /mnt/x → touch /mnt/x/holdopen → open("/mnt/x/holdopen", O_RDONLY) 不 close → umount("/mnt/x")。观察返不返 EBUSY、发生了什么(返 0?崩溃?open 的 fd 悬垂?)。对照章节「忙挂载 umount 不返 EBUSY 直接回收」那一条,理解 Cinux 挂载表没有引用计数门的代价——Linux 是「有 fd 持有就 EBUSY」,Cinux 简化掉了。你的观察结论写不写出来都行,关键是亲手踩到这个简化。

验收清单

• [ ] ctest -R vfs_mount 见 test_vfs_mount 19 个 TEST 全 PASS(host 单测,覆盖挂载表纯逻辑,不覆盖 factory 四类分支)。
• [ ] run-kernel-test 见 mount/umount2 section(test_mount.cpp:185)8 例全 PASS(test_mount.cpp:184-195)。
• [ ] test_mount_ext2_from_block_device(test_mount.cpp:168-180)不是 skip——grep boot 日志确认 BlockRegistry 注册了 sda(main_test.cpp:230-234 那条 ext2 mounted at / 的 smoke 行),guard 不触发,8 个断言全跑。
• [ ] grep strcmp\(fstype, kernel/syscall/sys_mount.cpp 见 5 行命中,工厂主体 4 行(:52 tmpfs、:72 proc/devfs、:73 proc 三目、:90 ext2/ext4)+ wrapper 1 行(:149 ext2/ext4 source-read guard);对应四类分支 + 兜底。
• [ ] sys_mount.cpp:90-121 块设备挂载链三层:vfs_lookup(NoFollow) → block_device() 虚方法 → new Ext2(dev);inode_unref 平账在 :102-104。
• [ ] errno 分工:test_mount.cpp:89 ext2 无 source→EINVAL;:91 nonsense→ENODEV;:96 umount 不存在→ENOENT;sys_mount.cpp:106 非块设备→ENXIO。
• [ ] vfs_mount.hpp:38-48 MountPoint 结构 + owned{false} 默认;vfs_mount.cpp:93-95 if(owned) delete fs 分叉;test_mount.cpp:104-125 owned 后端真回收。
• [ ] inode.hpp:230-236 block_device() 默认 nullptr;devfs.cpp:163-164 BlockDevOps override 返 dev_;grep block_device.*override kernel/ libs/ | grep -v '///' 过滤文档注释后只一处真 override 命中。
• [ ] block_registry.hpp:23-24 MAX_DEVICES=16/NAME_MAX=32;block_registry.cpp:46 重名拒绝注释;devfs_init.cpp:168-172 桥接循环。
• [ ] make run 见 [VFS] ext2 mounted at / + [DEVFS] + [PROCFS] + [TMPFS] 四行;busybox mount/umount 冒烟过(运行时挂 tmpfs + umount + 再挂文件不见);run-kernel-test-all 两腿 passed ≥ 基线 875。

别做这些

• 别把 host test_vfs_mount 当 factory 证据——它只测挂载表纯逻辑(init/add/remove/resolve/最长前缀),不覆盖 factory 四类分支(那依赖内核态类,host 没有)。factory 逻辑证据靠 kernel test_mount.cpp 八例。
• 别以为 test_mount_ext2_from_block_device 是 skip——它开头的 guard(test_mount.cpp:169-171)在 run-kernel-test boot 路径下永不触发(main_test.cpp:230-234 已注册 sda),8 个断言全跑真路径。注释里的「skip」是给 slim boot 留的退路。
• 别断言「mount -o ro 真的只读」——MS_RDONLY 等 flags accepted but ignored(sys_mount.cpp:46 注释),挂出来都是可读写可执行。一个能 mount 的内核,第一步是接受调用不让它崩,第二步才是按 flag 行事——Cinux 现在在第一步。
• 别以为 umount2 支持 MNT_FORCE 强制卸载——flags 标 [[maybe_unused]](sys_umount2.cpp:22),运行期根本没有非零 flags 路径,只走 vfs_mount_remove(target) 一条路。注释(:23)明标 not yet modelled。
• 别以为忙挂载 umount 返 EBUSY——挂载表没有引用计数门,直接回收。Linux 是「有 fd 持有就 EBUSY」,Cinux 简化掉了。
• 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。但挂载本身生效(vfs_resolve 能命中),用 ls /mnt/... 间接验。
• 别以为 cat /dev/sda 能看裸字节——BlockDevOps 不 override read/write(devfs.cpp:141-144 注释),块设备靠 mount fs 消费。对比 Linux 块设备节点支持裸盘读写,Cinux 简化掉了。
• 别混淆 ENXIO 和 ENODEV——ENXIO(6)是「source 解析得通但不是块设备」(block_device() 返 nullptr),ENODEV(19)是「未知 fstype」或「proc/devfs 单例未 init」。语义不同,写断言别用错。
• 别误标 boot 挂载 owned=true——会让 sys_umount2("/tmp") 在 vfs_mount_remove 里 delete 静态对象,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。
• 别照抄源仓库 dev note 的测试数——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)。
• 别把 sys_mount -t ext4 当成另一个类——Cinux 没有 Ext4,ext4 走 ext2 同一分支(sys_mount.cpp:90 的 ||),new 的就是 Ext2。extent-mapped inode 靠 i_flags & EXT4_EXTENTS_FL(ext2_extent.hpp:26-28)路由。