2017.7.11 fuse工作原理

FUSE的工作原理如图所示。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glibc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。

其中，用户态文件系统通过fuse提供的函数库libfuse，向内核中的fuse文件系统注册自己的文件处理函数。
我们以一个简单的基于FUSE的用户态文件系统hello为例，来分析FUSE的内部实现。

用户态文件系统hello的源码hello.c的部分如下所示：
static struct fuse_operations hello_oper = {
.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);
}
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。
1、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、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:
2.1 在内核中挂载新的用户态文件系统
1. 打开设备文件"/dev/fuse"， 获得文件描述符fd
2. 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
3. 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
4. 将该fuse_conn设置为在用户 态打开的/dev/fuse的私有数据（file->private）；同时，该文件系统的super_block的s_fs_info也指向该 fuse_conn
2.2 注册用户态文件系统的处理函数，并创建进程处理该文件系统的请求
1. 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：
.receive = fuse_kern_chan_receive, 等待并从4.2.1-1步骤中打开的文件中读取请求
.send = fuse_kern_chan_send, 将用户态文件系统处理的结果发送给内 核fuse
.destroy = fuse_kern_chan_destroy, 释放fuse_chan
2. 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
3. 等待用户态文件系统的请求，并处理它 们
3、多个基于FUSE的用户态文件系统的共存
在挂载的过程中，每个用户态文件系统 都会创建一个自己的fuse_conn，并将该fuse_conn设为自己打开的/dev/fuse的私有数据(file_private)；同时，该文
件系统在内核里的super_block,也将该fuse_conn设置为s_fs_info。在以后的过程中，用户态的文件系统处理线程都是从自己的 fuse_conn上读取请求；内核中的fuse文件系统，也只把请求发给s_fs_info指向的fuse_conn。通过这种机制，FUSE就能支持
多个用户态文件系统同时运行，且互不干扰。
FUSE是一个用户空间中的文件系统框架。它包含2个部分，FUSE内核模块和用户空间接口模块。在用户空间的执行文件系统能够大幅提高生长率，简化了为操作系统提供新的文件系统的工作量，适合于各种虚拟文件系
统和网络文件系统。
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。
4、用户态文件系统的挂载过程
1)用户态文件系统启动的第一步就是将自身注册到VFS上去。首先调用./lib/helper.c文件中函数fuse_mount(const char *mountpoint, struct
fuse_args *args), 参数包括挂载点mountpoint等，在挂载过程中只需要输入挂载点路径即可。
2)通过调用./lib/helper.c文件中函数fuse_mount_compat25(const
char *mountpoint, struct fuse_args *args) 再调用./lib/mount.c文件中的fuse_kern_mount(const char
*mountpoint, struct fuse_args *args)，接着调用static int fuse_mount_sys(const char *mnt, struct mount_opts *mo, const char *mnt_opts)函数，其中通过语句 fd
= open(devname, O_RDWR);来检测文件/dev/fuse是否能够正常打开。如果正常，则直接调用系统函数res = mount(source, mnt,
type, mo->flags, mo->kernel_opts);将其挂载到VFS上。
3)创建并初始化一个跟/dev/fuse交互的通道结构体
struct fuse_chan {
struct fuse_chan_ops op; //其中操作包括receive, send, distroy三中方法。
struct fuse_session *se; //通道的会话
int fd; //文件/dev/fuse 的fd号
size_t bufsize; //pagesize() + 0x1000
void *data;
int compat;
};
//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,
};
最后将建立的通道fuse_chan返回给用户文件系统的main()函数。
5、FUSE用户态模块的业务逻辑结构
1) 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;
};
2) 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,
};
3) 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。