feat(loop-device):实现Dragonos对loop的支持

docs/kernel/device/index.rst

@@ -6,3 +6,4 @@ Device
    :maxdepth: 1
 
    tty
+   loop_device

docs/kernel/device/loop_device.md

@@ -0,0 +1,127 @@
+# Loop Device 架构设计
+
+本文档阐述 DragonOS 中 loop 设备子系统的架构设计思路，用于指导开发和后续演进。
+
+## 问题背景
+
+在操作系统开发中，我们经常面临这样的需求：
+- 如何将一个镜像文件当作块设备使用？
+- 如何在不重启系统的情况下动态创建/删除虚拟块设备？
+
+loop 设备正是解决这些问题的关键组件。
+
+## 系统架构定位
+
+loop 设备在 DragonOS 架构中扮演着"虚拟化桥梁"的角色：
+
+```
+用户态应用
+     ↓
+loop-control 接口 (字符设备)
+     ↓
+LoopManager (设备生命周期管理)
+     ↓
+LoopDevice[] (虚拟块设备数组)
+     ↓
+块设备层 ←→ 后端文件系统
+```
+
+这种分层设计的核心思想是：**将控制平面与数据平面分离**。
+
+## 核心设计哲学
+
+### 1. 状态驱动的设备管理
+
+我们仿照linux设计引入状态机来管理设备生命周期
+
+```
+Unbound → Bound → Rundown → Deleting
+    ↓       ↓         ↓
+Deleting  Unbound  Deleting
+```
+
+**设计考量**：
+- 防止非法状态转换（如直接在 Bound 状态删除设备）
+- 提供清晰的设备生命周期语义
+- 为未来的扩展（如设备热插拔）奠定基础
+
+### 2. 双重接口策略
+
+我们的设计刻意区分了两种接口：
+
+**字符控制接口** (`/dev/loop-control`)：
+- 负责设备的生命周期管理
+- 提供用户友好的设备分配/回收机制
+- 与 Linux 标准接口保持兼容
+
+**块设备接口** (`/dev/loopX`)：
+- 专注于数据读写功能
+- 提供标准的块设备语义
+- 支持偏移、大小限制等高级功能
+
+**设计价值**：这种分离使得控制逻辑与数据路径互不干扰，提高了系统的可维护性。
+
+### 3. 安全性优先
+
+在与用户态交互时，我们采用了多重安全检查：
+
+- **参数边界检查**：所有偏移和大小都必须 LBA 对齐
+- **内存安全**：使用 `UserBufferReader/Writer` 进行用户态数据拷贝
+- **权限验证**：只读设备拒绝写入操作
+- **状态验证**：每个操作前都检查当前设备状态是否允许
+
+## 模块协作架构
+
+### LoopManager 的定位
+LoopManager 不是简单的设备数组管理器，而是整个子系统的"调度中心"：
+
+- **设备分配策略**：采用"就近分配"原则，优先复用空闲设备
+- **资源池管理**：预注册 8 个设备，避免运行时分配开销
+- **并发安全**：所有设备操作都在锁保护下进行
+
+### LoopDevice 的抽象设计
+LoopDevice 的核心抽象是"**后端文件的块设备视图**"：
+
+```
+用户视角          内部实现
+/dev/loop0  ←→   文件偏移 + 大小限制
+  块0-100           文件偏移0-51200
+  块101-200         文件偏移51200-102400
+```
+
+这种设计允许用户将文件的任意部分映射为块设备，为容器等应用场景提供了极大的灵活性。
+
+## 关键设计
+
+### 为什么选择 256 个设备上限？
+- 足够满足大多数应用场景需求
+- 避免无限制增长导致的资源耗尽
+- 与 Linux 系统默认上限保持一致，保证兼容性
+
+### 为什么预注册 8 个设备？
+- 覆盖常见的测试场景（通常不超过 4-5 个）
+- 减少首次使用的等待时间
+- 提供一个合理的初始工作集
+
+### 为什么使用 SpinLock 而不是其他锁？
+- loop 设备操作大多是短时操作
+- 避免复杂的锁层级和死锁问题
+- 简化实现，提高性能
+
+## 兼容性考量
+
+我们的设计在很大程度上参考了 Linux loop 驱动的接口，这是有意的选择：
+
+1. **用户态软件兼容**：现有的 loop 工具无需修改即可使用
+2. **API 契约一致性**：避免因接口差异导致的潜在问题
+3. **社区知识复用**：开发者可以复用现有的 loop 设备知识
+
+## 总结
+
+DragonOS 的 loop 设备设计遵循以下核心原则：
+1. **架构清晰**：控制平面与数据平面分离
+2. **状态安全**：基于状态机的设备生命周期管理
+3. **接口兼容**：与 Linux 标准接口保持兼容
+4. **扩展友好**：为未来功能预留架构空间
+5. **测试完备**：通过多层级测试保证质量
+

kernel/src/driver/base/block/gendisk/mod.rs

@@ -1,4 +1,5 @@
 use core::{
+    convert::TryFrom,
     ops::{Deref, DerefMut},
     sync::atomic::{AtomicU32, Ordering},
 };
@@ -10,17 +11,17 @@ use alloc::{
 use hashbrown::HashMap;
 use system_error::SystemError;
 
+use super::block_device::{BlockDevice, BlockId, GeneralBlockRange, LBA_SIZE};
 use crate::{
     driver::base::device::device_number::DeviceNumber,
+    driver::block::loop_device::LoopDevice,
     filesystem::{
         devfs::{DevFS, DeviceINode, LockedDevFSInode},
         vfs::{syscall::ModeType, utils::DName, IndexNode, Metadata},
     },
     libs::{rwlock::RwLock, spinlock::SpinLockGuard},
 };
 
-use super::block_device::{BlockDevice, BlockId, GeneralBlockRange, LBA_SIZE};
-
 const MINORS_PER_DISK: u32 = 256;
 
 #[derive(Debug)]
@@ -221,30 +222,54 @@ impl IndexNode for GenDisk {
 
     fn read_at(
         &self,
-        _offset: usize,
-        _len: usize,
-        _buf: &mut [u8],
+        offset: usize,
+        len: usize,
+        buf: &mut [u8],
         _data: SpinLockGuard<crate::filesystem::vfs::FilePrivateData>,
     ) -> Result<usize, SystemError> {
-        Err(SystemError::EPERM)
+        if len == 0 {
+            return Ok(0);
+        }
+        if len > buf.len() {
+            return Err(SystemError::ENOBUFS);
+        }
+        self.read_at_bytes(&mut buf[..len], offset)
     }
 
     fn write_at(
         &self,
-        _offset: usize,
-        _len: usize,
-        _buf: &[u8],
+        offset: usize,
+        len: usize,
+        buf: &[u8],
         _data: SpinLockGuard<crate::filesystem::vfs::FilePrivateData>,
     ) -> Result<usize, SystemError> {
-        Err(SystemError::EPERM)
+        if len == 0 {
+            return Ok(0);
+        }
+        if len > buf.len() {
+            return Err(SystemError::E2BIG);
+        }
+        self.write_at_bytes(&buf[..len], offset)
     }
 
     fn list(&self) -> Result<alloc::vec::Vec<alloc::string::String>, system_error::SystemError> {
         Err(SystemError::ENOSYS)
     }
 
     fn metadata(&self) -> Result<crate::filesystem::vfs::Metadata, SystemError> {
-        Ok(self.metadata.clone())
+        let mut meta = self.metadata.clone();
+        let bdev = self.block_device();
+        let range = bdev.disk_range();
+        let blocks = range.lba_end.saturating_sub(range.lba_start);
+        let size_in_bytes = blocks.saturating_mul(LBA_SIZE);
+
+        meta.size = match i64::try_from(size_in_bytes) {
+            Ok(val) => val,
+            Err(_) => i64::MAX,
+        };
+        meta.blocks = blocks;
+        meta.blk_size = LBA_SIZE;
+        Ok(meta)
     }
 
     fn dname(&self) -> Result<DName, SystemError> {
@@ -273,6 +298,20 @@ impl IndexNode for GenDisk {
     ) -> Result<(), SystemError> {
         Ok(())
     }
+
+    fn ioctl(
+        &self,
+        cmd: u32,
+        data: usize,
+        private_data: &crate::filesystem::vfs::FilePrivateData,
+    ) -> Result<usize, SystemError> {
+        let bdev = self.block_device();
+        if let Some(loop_dev) = BlockDevice::as_any_ref(&*bdev).downcast_ref::<LoopDevice>() {
+            loop_dev.ioctl(cmd, data, private_data)
+        } else {
+            Err(SystemError::ENOSYS)
+        }
+    }
 }
 
 impl DeviceINode for GenDisk {

kernel/src/driver/base/block/manager.rs

@@ -1,6 +1,6 @@
 use core::{fmt::Formatter, sync::atomic::AtomicU32};
 
-use alloc::sync::Arc;
+use alloc::{sync::Arc, vec::Vec};
 use hashbrown::HashMap;
 use system_error::SystemError;
 use unified_init::macros::unified_init;
@@ -11,7 +11,7 @@ use crate::{
         device::{device_number::Major, DevName},
     },
     filesystem::{
-        devfs::devfs_register,
+        devfs::{devfs_register, devfs_unregister},
         mbr::MbrDiskPartionTable,
         vfs::{utils::DName, IndexNode},
     },
@@ -167,13 +167,24 @@ impl BlockDevManager {
 
     /// 卸载磁盘设备
     #[allow(dead_code)]
-    pub fn unregister(&self, dev: &Arc<dyn BlockDevice>) {
+    pub fn unregister(&self, dev: &Arc<dyn BlockDevice>) -> Result<(), SystemError> {
         let mut inner = self.inner();
-        inner.disks.remove(dev.dev_name());
-        // todo: 这里应该callback一下磁盘设备，但是现在还没实现热插拔，所以暂时没做这里
-        todo!("BlockDevManager: unregister disk")
+        if inner.disks.remove(dev.dev_name()).is_none() {
+            return Err(SystemError::ENOENT);
+        }
+        let blk_meta = dev.blkdev_meta();
+        let gendisks = {
+            let mut meta_inner = blk_meta.inner();
+            let disks: Vec<Arc<GenDisk>> = meta_inner.gendisks.values().cloned().collect();
+            meta_inner.gendisks.clear();
+            disks
+        };
+        for gendisk in gendisks {
+            let dname = gendisk.dname()?;
+            devfs_unregister(dname.as_ref(), gendisk)?;
+        }
+        Ok(())
     }
-
     /// 通过路径查找gendisk
     ///
     /// # 参数

kernel/src/driver/base/block/mod.rs

@@ -2,7 +2,6 @@ pub mod block_device;
 pub mod disk_info;
 pub mod gendisk;
 pub mod manager;
-
 #[derive(Debug)]
 #[allow(dead_code)]
 pub enum SeekFrom {

kernel/src/driver/base/device/device_number.rs

@@ -42,6 +42,8 @@ impl Major {
     pub const fn data(&self) -> u32 {
         self.0
     }
+    pub const LOOP_MAJOR: Self = Self::new(7);
+    pub const LOOP_CONTROL_MAJOR: Self = Self::new(10);
 }
 
 impl Hash for Major {