fuse文件系统

2、Fuse文件系统 (3)
2.1、简介 (3)
2.2、组成及功能实现 (3)
2.3、FUSE的接口函数 (5)
2.4、Fuse在用户态实现过程 (6)
2.4.1、fuse_main（）的处理流程 (6)
2.4.2、内核FUSE文件系统和用户态文件系统的通信 (7)
2.4.3、FUSE用户态文件系统的挂载过程 (8)
2.4.4、FUSE用户态模块的业务逻辑结构 (8)
2.4.5、FUSE内核模块的业务逻辑结构 (9)
2.4.6、内核中/dev/fuse读写详细流程 (10)
1) 前提介绍 (10)
2) 读取/dev/fuse中的请求 (10)
3) 将请求发送到/dev/fuse中 (10)
2.3、总结 (11)
3、NTFS中的rm命令流程 (12)
2、Fuse文件系统
2.1、简介
FUSE，全称Filesystem in Userspace，也就是用户空间的文件系统。

准确说来，FUSE是为开发用户空间的文件系统提供的一个框架，具体来说，就是一个软件包，一些接口，再加上一个内核模块。

FUSE模块仅仅提供kernel模块的接入口，而本身的主要实现代码位于用户空间中。

对于读写虚拟文件系统来说，FUSE是个很好的选择。

它可以为用户提供编写用户态文件系统的接口。

使用FUSE，用户可以不必熟悉Kernel代码，使用标准C库、FUSE库以及GNU C库便可设计出自己需要的文件系统。

2.2、组成及功能实现
FUSE由三个部分组成：FUSE内核模块、FUSE库以及一些挂载工具。

FUSE内核模块实现了和VFS的对接，它看起来像一个普通的文件系统模块；另外，FUSE内核模块实现了一个可以被用户空间进程打开的设备，当VFS发来文件操作请求之后，它将该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。

如下图所示：
图2 -1 FUSE内核模块
FUSE库负责和内核空间的通信，它接收来自/dev/fuse的请求，并将其转化为一系列的函数调用，并将结果写回到/dev/fuse。

FUSE的作用可通过下面两幅图说明：
图2 -2 Ext4文件系统的文件操作流程
上图为Ext4文件系统的文件操作流程，当系统用户在输入ls /home/kelvin命令之后，最终会调用到Ext4文件系统内的相关函数来对文件进行处理，并将结果返回。

图2 -3 用户态文件系统的文件操作流程
上图是基于FUSE所写的一个用户态文件系统hello的文件操作流程，FUSE 的工作原理如图 2 -3所示。

假设基于FUSE的用户态文件系统hello挂载在/tmp/fuse目录下。

当应用层程序要访问/tmp/fuse下的文件时，通过busybox中的
函数进行系统调用，处理这些系统调用的VFS中的函数会调用FUSE在内核中的文件系统；内核中的FUSE文件系统将用户的请求，发送给用户态文件系统hello；用户态文件系统收到请求后，进行处理，将结果返回给内核中的FUSE文件系统；最后，内核中的FUSE文件系统将数据返回给用户态程序。

FUSE给用户提供了fuse_operations结构体，用户可实现具体的钩子函数，然后将这些钩子函数挂载到该结构体。

main()函数只需调用fuse_main()就可以了，其他的工作交给FUSE去做。

2.3、FUSE的接口函数
Fuse的接口函数主要有一下一些。

static const struct inode_operations fuse_dir_inode_operations = {
.lookup = fuse_lookup,
.mkdir = fuse_mkdir,
.symlink = fuse_symlink,
.unlink = fuse_unlink,
.rmdir = fuse_rmdir,
.rename = fuse_rename,
.link = fuse_link,
.setattr = fuse_setattr,
.create = fuse_create,
.mknod = fuse_mknod,
.permission = fuse_permission,
.getattr = fuse_getattr,
.setxattr = fuse_setxattr,
.getxattr = fuse_getxattr,
.listxattr = fuse_listxattr,
.removexattr = fuse_removexattr,
};
static const struct file_operations fuse_dir_operations = {
.llseek = generic_file_llseek,
.read = generic_read_dir,
.readdir = fuse_readdir,
.open = fuse_dir_open,
.release = fuse_dir_release,
.fsync = fuse_dir_fsync,
};
static const struct inode_operations fuse_common_inode_operations = { .setattr = fuse_setattr,
.permission = fuse_permission,
.getattr = fuse_getattr,
.setxattr = fuse_setxattr,
.getxattr = fuse_getxattr,
.listxattr = fuse_listxattr,
.removexattr = fuse_removexattr,
};
static const struct inode_operations fuse_symlink_inode_operations = { .setattr = fuse_setattr,
.follow_link = fuse_follow_link,
.put_link = fuse_put_link,
.readlink = generic_readlink,
.getattr = fuse_getattr,
.setxattr = fuse_setxattr,
.getxattr = fuse_getxattr,
.listxattr = fuse_listxattr,
.removexattr = fuse_removexattr,
};
2.4、Fuse在用户态实现过程
2.4.1、fuse_main（）的处理流程
Fuse_operations是libfuse提供给用户层文件系统的机构，供用户定义自己的文件操作函数；fuse_main（）是libfuse提供给用户文件系统最重要的接口，通过这个函数，用户层文件系统可以将自己定义的fuse_operation注册为文件系统的处理函数，并挂载该文件系统。

Fuse_main（）的处理流程
图2 -4 fuse_main()函数的处理流程
fuse_main()被调用后，它调用fuse_mount()，创建新的进程fusermount，来检查FUSE内核模块是否加载，并返回文件描述符给fuse_main()。

fuse_new()为文件系统分配数据空间。

fuse_loop()从/dev/fuse读取文件系统调用，调用fuse_operations结构中的处理函数，返回调用结果给/dev/fuse。

2.4.2、内核FUSE文件系统和用户态文件系统的通信
在加载fuse模块的过程中，要在内核中注册fuse文件系统，并生成fuse设备/dev/fuse。

/dev/fuse是内核里的fuse文件系统和用户态文件系统的通信媒介。

用户态文件系统通过读取/dev/fuse的内容，获取内核中fuse文件系统发来的请求；而内核中的fuse文件系统，则把请求写入/dev/fuse，等待用户态文件系统处理。

在用户态文件系统和内核中的fuse模块通过/dev/fuse进行通信时，不可避免的会有内存拷贝。

fuse中没有使用传统的copy_from_user/copy_to_user，而是用
get_user_pages和memcpy来代替。

2.4.3、FUSE用户态文件系统的挂载过程
挂载用户态文件系统，只需运行其生成的程序。

在hello中，运行编译hello.c 生成的hello即可。

fuse_main将完成一切的注册和挂载过程，其中主要分为两个步骤:
1、在内核中挂载新的用户态文件系统
a)打开设备文件“/dev/fuse”，获得文件描述符fd；
b)挂载FUSE文件系统（内核里的fuse文件系统），将fd作为参数
传给内核里的挂载函数；
c)内核中的fuse文件系统在初始化super_block的过程中，将创建
一个新的fuse_conn，它就是内核fuse和用户态文件系统通信的
工具；
d)将该fuse_conn设置为在用户态打开的/dev/fuse的私有数据；同
时，该文件系统的super_block的s_fs_info也指向该fuse_conn。

2、注册用户态文件系统的处理函数，病创建进程处理该文件系统的请
求
a）创建一个新的fuse_chan，用来与内核中的fuse通信，它的处理函数是fuse_chan_ops；
b）创建一个fuse_session，并注册用户态文件系统的处理函数，用来等待并处理该文件系统的请求
c）等待用户态文件系统的请求，并处理它。

2.4.4、FUSE用户态模块的业务逻辑结构
在用户态文件系统的main()函数中调用文件fuse_loop.c中的函数void fuse_session_add_chan(struct fuse_session *se, struct fuse_chan *ch)，将通道地址赋值给该会话结构体struct fuse_session se, 然后通过调用同一文件中的函数int fuse_session_loop(struct fuse_session *se)来做信息的接收与发送工作。

struct fuse_session {
struct fuse_session_ops op; //会话的操作
void *data;
volatile int exited;
struct fuse_chan *ch;
};
在函数int fuse_chan_recv(struct fuse_chan **chp, char *buf, size_t size)中调用结构体struct fuse_chan 中绑定的操作函数static int fuse_kern_chan_receive(struct fuse_chan **chp, char *buf, size_t size)直接调用read()系统函数res = read(fuse_chan_fd(ch), buf, size); 来从/dev/fuse中读取消息。

//通道操作的动作绑定结构体
struct fuse_chan_ops op = {
.receive = fuse_kern_chan_receive,
.send = fuse_kern_chan_send,
.destroy = fuse_kern_chan_destroy,
};
在函数void fuse_session_process(struct fuse_session *se, const char *buf, size_t len, struct fuse_chan *ch)中调用已绑定的se->op.process()函数转向文件./lib/fuse_lowlevel.c中被绑定函数static void fuse_ll_process(void *data, const char *buf, size_t len, struct fuse_chan *ch)。

struct fuse_session_ops sop = {
.process = fuse_ll_process,
.destroy = fuse_ll_destroy,
};
在这个函数处理过程中，首先要申明一个请求结构体指针struct fuse_req *req, 然后通过在read(fuse_chan_fd(ch), buf, size); 函数执行中读取的数据buf，且将其强制转化为fuse_in_header类型（struct fuse_in_header *in = (struct fuse_in_header *) buf;），并初始化请求结构体req。

struct fuse_req {
}
通过解析出in->opcode的数据和用户态文件系统定义的已绑定的接口函数相比较，得到相应的处理函数，最后执行这个函数完成请求。

2.4.5、FUSE内核模块的业务逻辑结构
FUSE 作为用户态文件系统与内核交互的桥梁，拥有着2个模块。

其一是与用户态文件系统直接交互模块，如上图中的libfuse接口。

其二是内核中挂载到VFS上的FUSE内核模块。

FUSE信息处理流程：
当用户发起一个请求ls –l /tmp/fuse 时，操作系统调用内核函数接口glibc 将该请求发送到内核态VFS；VFS根据请求判断出需要调用的文件系统（FUSE 已经挂到VFS的文件系统列表上）并将此请求发送到FUSE内核模块；由内核模块再将此请求发送到特殊文件/dev/fuse的请求队列中；而用户态的libfuse 则不停的循环请求/dev/fuse文件中的请求队列，如获得请求则解析该请求，并发送给挂在其上的用户态文件系统，由它来执行请求。

在用户态文件系统执行完该请求后，按照逆方向返回执行结果给用户。

当用户发出请求，若请求为：”rm /mnt/fuse/file”时，操作系统直接调用VFS 函数sys_unlink()。

通过VFS的转向，调用已注册的“FUSE文件系统”（FUSE内核模块）的函数fuse_unlink()。

FUSE内核模块将接收到的请求保存到结构体struct fuse_conn fc的fc->unused_list中，通过函数request_send()函数将其写入fc->pending，同时使用函数fuse_dev_writev()将此请求写到特殊文件/dev/fuse中。

2.4.6、内核中/dev/fuse读写详细流程
1) 前提介绍
当VFS要下发命令到FUSE或者从FUSE获取恢复时，首先找到与FUSE绑定的接口函数结构体（在dev.c中）。

struct file_operations fuse_dev_operations = {}
2)读取/dev/fuse中的请求
在内核中要读取/dev/fuse中的请求数据时，最终要调用文件dev.c中的函数static ssize_t fuse_dev_readv(struct file *file, const struct iovec *iov, unsigned long nr_segs, loff_t *off)，此函数首先通过传入的参数file来初始化一个struct fuse_conn *fc结构体。

然后调用请求等待函数static void request_wait(struct fuse_conn *fc)，先申明并初始化一个进程等待列表DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
将wait加入到fc->waitq等待队列中，当有请求发到fuse文件系统时（通过request_send），这个等待队列上的进程会被唤醒，某一个进程会被赋予CPU使用权：add_wait_queue_exclusive(&fc->waitq, &wait)，接着不断的检查fc的pending 队列及interrupts队列，看是否有请求，没有请求会一直while循环。

while (fc->connected && !request_pending(fc)) {}
如果有请求，则break出来将当前进程状态设置为TASK_RUNNING状态，set_current_state(TASK_RUNNING);并将其从等待队列中移出，remove_wait_queue(&fc->waitq, &wait) 。

在fc->pending列表为非空时，证明已经有数据到达，那么作一些相应的状态修改，初始化等工作后，判断这个请求是否合法，如果是合法请求，这从fc->pending列表中移除并拷贝其请求数据到用户空间的缓冲区。

如果该请求是不需要回复的、意外终止、出现错误或者正常结束的情况下调用函数static void request_end(struct fuse_conn *fc, struct fuse_req *req)来作一些处理后结束本次请求读取过程。

3)将请求发送到/dev/fuse中
首先申明一个结构体fc， struct fuse_conn *fc = fuse_get_conn(file); 然后检查当前的设备状态，如果没问题则初始化一个拷贝状态。

static void fuse_copy_init(struct fuse_copy_state *cs, struct fuse_conn *fc,
然后在当前的处理列表中查找写缓冲区的请求。

如果找到，然后从列表中删除它并复制缓冲区的其余部分。

完成该请求通过调用函数static void request_end(struct fuse_conn *fc, struct fuse_req *req)。

2.3、总结
FUSE内核模块主要工作就是进行队列的管理，对fuse设备的读（写）其实就是从相应的队列移除（添加）请求（或响应），request_send将请求加入pending队列，唤醒fuse守护程序，并在req的waitq上等待请求结果，守护程序通过fuse_dev_readv从pending队列中移除请求并处理，处理完成后，守护程序唤醒req的waitq上的进程，该进程读取结果，并返回给用户。

总的来说，一个请求从发起到完成会经过4步：
1)fuse守护程序在fc的waitq上等待请求；
2)用户的请求唤醒fc的waitq，从该waitq上移除一个请求进行处理，并在req的waitq上等待请求结果；
3)fuse守护程序被唤醒，读取请求，处理请求，返回结果，唤醒对应req 上的waitq队列。

4)请求被唤醒，读取fuse守护程序返回的结果，返回给用户。

3、NTFS中的rm命令流程Rm命令的整体流程，如图3 -1所示。

图3 -1 rm命令的整体流程图Rm命令的详细流程，如图3 -2所示。

根据magic值的不同，有两种返回值，一种返回0，为正常情况，一种返回非0，为错误情况。