用户态文件系统fuse学习

FUSE概述

FUSE（用户态文件系统）是一个实现在用户空间的文件系统框架，通过FUSE内核模块的支持，使用者只需要根据fuse提供的接口实现具体的文件操作就可以实现一个文件系统。
在fuse出现以前，Linux中的文件系统都是完全实现在内核态，编写一个特定功能的文件系统，不管是代码编写还是调试都不太方便，就算是仅仅在现有传统文件系统上添加一个小小的功能，因为是在内核中实现仍需要做很大的工作量。在用户态文件系统FUSE出现后(2.6内核以后都支持fuse)，就会大大的减少工作量，也会很方便的进行调试。编写FUSE文件系统时，只需要内核加载了fuse内核模块即可，不需要重新编译内核。

FUSE 特点

用户空间文件系统——类Unix OS的框架
允许非超户在用户空间开发文件系统
内核的API接口，使用fs-type操作
支持多种编程语言（ c、c++、perl、java 等）
普通用户也可以挂载FUSE
不用重新编译内核

FUSE组成

fuse主要由三部分组成：FUSE内核模块、用户空间库libfuse以及挂载工具fusermount。

fuse内核模块：实现了和VFS的对接，实现了一个能被用户空间进程打开的设备，当VFS发来文件操作请求之后，将请求转化为特定格式，并通过设备传递给用户空间进程，用户空间进程在处理完请求后，将结果返回给fuse内核模块，内核模块再将其还原为Linux kernel需要的格式，并返回给VFS；
fuse库libfuse：负责和内核空间通信，接收来自/dev/fuse的请求，并将其转化为一系列的函数调用，将结果写回到/dev/fuse；提供的函数可以对fuse文件系统进行挂载卸载、从linux内核读取请求以及发送响应到内核。libfuse提供了两个APIs：一个“high-level”同步API 和一个“low-level” 异步API 。这两种API 都从内核接收请求传递到主程序（fuse_main函数），主程序使用相应的回调函数进行处理。当使用high-level API时，回调函数使用文件名（file names）和路径（paths）工作，而不是索引节点inodes，回调函数返回时也就是一个请求处理的完成。使用low-level API 时，回调函数必须使用索引节点inode工作，响应发送必须显示的使用一套单独的API函数。
挂载工具：实现对用户态文件系统的挂载

FUSE主要代码文件

in kernel：

kernel/inode.c —> 主要完成fuse文件驱动模块的注册，提供对supper block的维护函数以及其它(驱动的组织开始文件)
kernel/dev.c —> fuse 的(虚拟)设备驱动
kernel/control.c —> 提供对于dentry的维护及其它
kernel/dir.c —> 主要提供对于目录inode索引节点的维护
kernel/file.c —> 主要提供对于文件inode索引节点的维护

in userspace：

lib/helper.c —> “fuse_main()”调用的主入口
lib/fuse_kern_chan.c—>主要实现fuse应用层访问(读写)fuse driver的功能
lib/fuse_mt.c —> fuse 的mount管理
lib/fuse.c —> lib库主框架文件，实现了主要框架及对”用户实现的文件系统操作代码”的封装
lib/fuse_lowlevel.c –> 实现比较底层的函数封装，供fuse.c等使用
lib/fuse_loop.c —> fuse lib循环监视”fuse driver”的通信缓存
lib/fuse_loop_mt.c —> 同fuse_loop.c
lib/fuse_session.c —> fuse会话管理

Fuse是怎么工作的(fuse-2.9)？

1. fuse库

1.在用户态程序调用fuse_main() （lib/helper.c）时，先调用fuse_setup_common()该函数先解析用户态程序传递过来的参数，然后调用fuse_mount_common()（该函数是fuse_kern_mount()函数的封装，lib/mount.c）。
fuse_main()是一个宏定义（include/fuse.h）,如下：

#define fuse_main(argc, argv, op, user_data) \

fuse_main_real(argc, argv, op, sizeof(*(op)), user_data)

2.fuse_kern_mount()函数中调用fuse_mount_fusermount()使用socketpair()创建一个UNIX域套接字，然后使用创建子进程执行fusermount程序，将FUSE_COMMFD_ENV环境变量中套接字的一端传递给它。
3.fusermount（util/fusermount.c）确保fuse 模块已经被加载，然后打开/dev/fuse并通过一个UNIX套接字发送文件处理句柄。父进程等待子进程执行完毕回收，然后返回fuse_mount_fusermount()函数。
4.fuse_kern_mount()通过/dev/fuse返回文件句柄给fuse_kern_chan_new()负责处理内核数据，然后返回到fuse_mount_common()函数。
5.fuse_setup_common()函数调用fuse_new_common（lib/fuse.c）,fuse_new_common()函数分配fuse数据结构，存储并维护一个文件系统数据镜像缓存cached，返回到fuse_main()。
6.最后，fuse_main()调用fuse_loop（lib/fuse.c）或者fuse_loop_mt()（lib/fuse_mt.c），这两个函数都可以从设备/dev/fuse读取文件系统调用，调用fuse_main()之前调用存储在fuse_operations结构体中的用户态函数。这些调用的结果回写到/dev/fuse设备（这个设备可以转发给系统调用）。

2.内核模块

内核模块由2个部分组成：

第一个是proc文件系统组件（在kernel/dev.c中）；

第二个是文件系统调用（kernel/file.c、kernel/inode.c、kernel/dir.c）。
kernel/file.c、kernel/inode.c、kernel/dir.c中的所有系统调用要么调用request_send()，要么调用request_send_noreply()或者request_send_nonblock()。大部分都是调用request_send()函数，它添加请求到“list of request”结构体（fc->pending）,然后等待一个响应。request_send_noreply()和request_send_nonblock()与request_send(）函数相似，除了是非阻塞的和不响应一个回复。
kernel/dev.c中的proc文件系统组件响应文件IO请求，fuse_dev_read()处理文件读，并从请求列表结构体（list of requests）返回命令到调用程序。fuse_dev_write()处理文件写，完成数据写并放入req->out结构体（它能返回系统调用通过请求列表结构体和request_send()函数），

用户进程和操作系统进行交互（read文件为例）：

该fuse文件系统挂载在现有ext4文件系统之上.

1.一个用户进程发出read文件请求；
2.该请求被转换为一个内核系统调用，内核VFS层调用fuse文件系统内核模块；
3.fuse 内核模块通过/dev/fuse，将read请求传递到fuse 用户态进程；
4.fuse daemon根据用户实现的read接口，产生新的系统调用，最终调用ext4文件系统的read操作函数，从存储介质中提取读操作要求的数据（page cache中有，直接从其中获取，否则读磁盘）；
5.内核将数据返回给fuse文件系统；
6.用户级文件系统再次调用内核操作，把数据返回给用户进程；
7.内核将数据传给用户进程完成操作。

库函数fuse_main()具体处理流程：

1.先打开设备文件/dev/fuse；
2.然后挂载FUSE文件系统；
3.产生FUSE文件系统指针；
4.初始化FUSE文件系统的操作函数集：
5.初始化信号处理函数集；
6.进入等待循环：
从设备文件/dev/fuse中读取来自内核模块的请求；
运行相应的操作函数，并获取返回结果；
将返回给内核的应答结果写入设备文件/dev/fuse中；

注意

fuse本质上（数据处理时）是处于现有文件系统之上的（具体实现是和现有文件系统处于同一个层次的），fuse不参与底层磁盘数据的存取，只负责处理对读取和写入的数据在逻辑上的操作而已。

安装使用fuse

软件包下载https://github.com/libfuse/libfuse/releases：
下载软件包，解压后，编译安装。

./configure

make

make install

解压后的目录中有名为example的目录，其中有fuse自带的几种fuse用户态实现例子，可以运行其进行测试。
fuse安装完后，该目录中的文件也已经编译成功，只需运行即可（目录dir为挂载点，挂载成功后，在该目录中对文件的操作就会调用fuse自己实现的操作函数）：

//example/hello.c 部分代码，主要实现文件系统的取文件属性、打开目录、读文件、打开文件

static struct fuse_operations hello_oper = { //文件操作函数，为回调函数

.getattr = hello_getattr,

.readdir = hello_readdir,

.open = hello_open,

.read = hello_read,

};

int main(int argc, char *argv[])

{

return fuse_main(argc, argv, &hello_oper, NULL); //主函数，会调用文件操作结构体

}

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ mkdir dir //创建挂载点

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ ./hello dir //将hello fuse文件系统挂载在dir目录上

根据目前实现的四个功能进行测试如下：

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ ls

hello

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ cat hello

Hello World!

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ ls -l hello

-r--r--r-- 1 root root 13 12月 31 1969 hello

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ rm -fr hello

rm: cannot remove ‘hello’: Function not implemented

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ touch test

touch: cannot touch ‘test’: Function not implemented

ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/dir$ mkdir test

mkdir: cannot create directory ‘test’: Function not implemented

由测试可以发现在dir目录中只能对文件进行实现的四个功能的操作，其他的操作都无法完成，会提示用户函数没有实现。
ty@ubuntu:~/program/fuse/fuse-2.9.6/example/$ dirfusermount -u dir //卸载fuse文件系统dir