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FUSE的使用及示例

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背景

文件系统，是任何OS都不可却少的。想要编写一个属于自己的文件系统很容易，但调试十分不方便。为了方便调试，提高开发效率，可以使用FUSE（Filesystem in userspace）框架进行开发。这是一个内核模块，能够让用户在用户空间实现文件系统并且挂载到某个目录，就像在内核实现的文件系统一样。使用 FUSE 有几个好处：一是因为在用户空间实现，开发和调试都比较方便；二是可以把一些常用的服务以文件系统的形式展现，方便操作，如 ftpfs，sshfs，mailfs 等；另外可以避免一些版权问题，如 Linux 上对 ntfs，zfs 的操作都是通过 FUSE 实现的。当然用户空间的实现也有缺点，最明显的就是由多次在用户态/内核态切换带来的性能下降。

FUSE架构

FUSE Frame
将文件系统需要处理的读、写、创建、删除等函数，以回调的方式注册到FUSE模块中，当用户访问挂载目录时，FUSE模块回调相应的注册接口。

FUSE安装

ubuntu 16.04 安装

需要安装libfuse2和libfuse-dev

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sudo apt-get install libfuse2 libfuse-dev pkg-config

版本:

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FUSE library version: 2.9.4
fusermount version: 2.9.4
using FUSE kernel interface version 7.19

OSX 10.11.6 安装

需要安装Caskroom/cask/osxfuse

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brew cask install osxfuse

版本:

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OSXFUSE 3.5.4
FUSE library version: 2.9.7
fuse: no mount point

FUSE使用

FUSE有两种接口，一种是fuse_operations另一种是fuse_lowlevel_ops。

  • fuse_operations是较为上层的接口，我们可以使用fuse_main函数将其传入FUSE中
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    static struct fuse_operations cryptfs_ops = {
            .init = cfs_init,
            .destroy = cfs_destroy,
            .open = cfs_open,
            .read = cfs_read,
            .write = cfs_write,
            .release = cfs_release,
            .readdir = cfs_readdir,
            .getattr = cfs_getattr,
    };
  • fuse_lowlevel_ops是较底层的接口，我们可以使用fuse_session_loop函数实现
    eg:
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    static struct fuse_lowlevel_ops  lowlevel_handler =   
    {  
            .lookup   = lowlevel_lookup,  
            .getattr  = lowlevel_getattr,  
            .readdir  = lowlevel_readdir,  
            .mkdir    = lowlevel_mkdir,  
            .rmdir    = lowlevel_rmdir,  
            .open     = lowlevel_open,  
            .read     = lowlevel_read,  
            .write    = lowlevel_write,  
            .unlink   = lowlevel_unlink,  
            .rename   = lowlevel_rename,  
    };
    fuse_operations使用简单，容易上手。fuse_lowlevel_ops灵活性大，需要有FS开发经验。

Helloworld示例

实现ls ./mp系统提示Hello-world(./mp为挂载目录)
ls会用到的方法代码:

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fuse.h>

static int cfs_readdir(const char* path, void* buf, fuse_fill_dir_t filler, off_t offset, struct fuse_file_info* fi)
{
    fprintf(prd->logfile, "cfs_readdir\t path : %s\n", path);
    fflush(prd->logfile);
    
    return filler(buf, "Hello-world", NULL, 0);
}

static int cfs_getattr(const char* path, struct stat *stbuf)
{
    fprintf(prd->logfile, "cfs_getattr\t path : %s\n", path);
    fflush(prd->logfile);
    if(strcmp(path, "/") == 0)
        stbuf->st_mode = 0755 | S_IFDIR;
    else
        stbuf->st_mode = 0644 | S_IFREG;
    return 0;
}

fuse_main将接口注册到FUSE中:

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static struct fuse_operations cryptfs_ops = {
    .readdir = cfs_readdir,
    .getattr = cfs_getattr,
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
    ret = fuse_main(argc, argv, &cryptfs_ops);
    return ret;
}

编译

ubuntu 16.04

编译命令:

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gcc myfuse.c -o myfuse -DFUSE_USE_VERSION=22 `pkg-config fuse --cflags --libs` -g

or

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gcc myfuse.c -o myfuse -DFUSE_USE_VERSION=22 -D_FILE_OFFSET_BITS=64 -I/usr/include/fuse -lfuse -pthread -g

使用后者编译时不需要安装包pkg-config，由于不同操作系统fuse安装位置不一样，所以还是推荐使用pkg-config的方式

调试

可使用GDB调试，myfuse会以守护进程方式启动，调试有三种方法。

  • 待myfuse进程启动后，使用GDB中的attach方法进行调试
  • 使用GDB调试myfuse，参数中增加-d参数，该参数可以使myfuse不已守护进程方式启动 ( ** Version: 2.9.9上无法实现 ** )
  • 在myfuse中增加调试打印信息进行调试

挂载FUSE

先创建一个目录(mkdir ./mp)，用于挂载myfuse文件系统，然后调用myfuse进行挂载。
eg:

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sudo ./myfuse ./mp

对于mac系统挂载文件系统需要使用参数-o allow_other，否则挂在后，挂载目录将无权访问。
eg:

1
sudo ./myfuse ./mp -o allow_other

使用mount查看挂载的文件系统。
eg:

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$ mount
...
/home/xxxx/xxxx/myfuse on /home/xxxx/xxxx/mp type fuse.myfuse (rw,nosuid,nodev,relatime,user_id=1000,group_id=1000)

使用ls ./mp查看挂载点内容，根据实现应提示Hello-world
eg:

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$ ls ./mp/
Hello-world

卸载FUSE

使用umount卸载myfuse文件系统，需要输入挂载点的全路径
eg:

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sudo umount /home/xxxx/xxxx/mp

FUSE Options说明

fuse_main函数自带usage信息，只需要将--help参数传入，便能将usage信息打出来。

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$ ./myfuse --help
usage: ./myfuse mountpoint [options]

general options:
    -o opt,[opt...]        mount options
    -h   --help            print help
    -V   --version         print version

FUSE options:
    -d   -o debug          enable debug output (implies -f)
    -f                     foreground operation
    -s                     disable multi-threaded operation

    -o allow_other         allow access to other users
    -o allow_root          allow access to root
    -o auto_unmount        auto unmount on process termination
    -o nonempty            allow mounts over non-empty file/dir
    -o default_permissions enable permission checking by kernel
    -o fsname=NAME         set filesystem name
    -o subtype=NAME        set filesystem type
    -o large_read          issue large read requests (2.4 only)
    -o max_read=N          set maximum size of read requests
    
    -o hard_remove         immediate removal (don't hide files)
    -o use_ino             let filesystem set inode numbers
    -o readdir_ino         try to fill in d_ino in readdir
    -o direct_io           use direct I/O
    -o kernel_cache        cache files in kernel
    -o [no]auto_cache      enable caching based on modification times (off)
    -o umask=M             set file permissions (octal)
    -o uid=N               set file owner
    -o gid=N               set file group
    -o entry_timeout=T     cache timeout for names (1.0s)
    -o negative_timeout=T  cache timeout for deleted names (0.0s)
    -o attr_timeout=T      cache timeout for attributes (1.0s)
    -o ac_attr_timeout=T   auto cache timeout for attributes (attr_timeout)
    -o noforget            never forget cached inodes
    -o remember=T          remember cached inodes for T seconds (0s)
    -o nopath              don't supply path if not necessary
    -o intr                allow requests to be interrupted
    -o intr_signal=NUM     signal to send on interrupt (10)
    -o modules=M1[:M2...]  names of modules to push onto filesystem stack
    -o max_write=N         set maximum size of write requests
    -o max_readahead=N     set maximum readahead
    -o max_background=N    set number of maximum background requests
    -o congestion_threshold=N  set kernel's congestion threshold
    -o async_read          perform reads asynchronously (default)
    -o sync_read           perform reads synchronously
    -o atomic_o_trunc      enable atomic open+truncate support
    -o big_writes          enable larger than 4kB writes
    -o no_remote_lock      disable remote file locking
    -o no_remote_flock     disable remote file locking (BSD)
    -o no_remote_posix_lock disable remove file locking (POSIX)
    -o [no_]splice_write   use splice to write to the fuse device
    -o [no_]splice_move    move data while splicing to the fuse device
    -o [no_]splice_read    use splice to read from the fuse device

FUSE Operations说明

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struct fuse_operations {
    int (*getattr) (const char *, struct stat *);
    /* 这个函数与 stat() 类似。st_dev 和 st_blksize 域都可以忽略。st_ino 域也会被忽略，除非在执行 mount 时指定了 use_ino 选项 */

    int (*readlink) (const char *, char *, size_t);
    /* 这个函数会读取一个符号链接的目标。缓冲区应该是一个以 null 结束的字符串。缓冲区的大小参数包括这个 null 结束字符的空间。如果链接名太长，不能保存到缓冲区中，就应该被截断。成功时的返回值应该是 “0” */

    int (*getdir) (const char *, fuse_dirh_t, fuse_dirfil_t);
    /* 这个函数会读取一个目录中的内容。这个操作实际上是在一次调用中执行 opendir()、readdir()、...、closedir() 序列。对于每个目录项来说，都应该调用 filldir() 函数 */

    int (*mknod) (const char *, mode_t, dev_t);
    /* 这个函数会创建一个文件节点。此处没有 create() 操作；mknod() 会在创建非目录、非符号链接的节点时调用 */

    int (*mkdir) (const char *, mode_t);
    int (*rmdir) (const char *);
    /* 这两个函数分别用来创建和删除一个目录 */

    int (*unlink) (const char *);
    int (*rename) (const char *, const char *);
    /* 这两个函数分别用来删除和重命名一个文件 */

    int (*symlink) (const char *, const char *);
    /* 这个函数用来创建一个符号链接 */

    int (*link) (const char *, const char *);
    /* 这个函数创建一个到文件的硬链接 */

    int (*chmod) (const char *, mode_t);
    int (*chown) (const char *, uid_t, gid_t);
    int (*truncate) (const char *, off_t);
    int (*utime) (const char *, struct utimbuf *);
    /* 这 4 个函数分别用来修改文件的权限位、属主和用户、大小以及文件的访问/修改时间 */

    int (*open) (const char *, struct fuse_file_info *);
    /* 这是文件的打开操作。对 open() 函数不能传递创建或截断标记（O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC）。这个函数应该检查是否允许执行给定的标记的操作。另外，open() 也可能在 fuse_file_info 结构中返回任意的文件句柄，这会传递给所有的文件操作 */
    int (*read) (const char *, char *, size_t, off_t, struct fuse_file_info *);
    /* 这个函数从一个打开文件中读取数据。除非碰到 EOF 或出现错误，否则 read() 应该返回所请求的字节数的数据；否则，其余数据都会被替换成 0。一个例外是在执行 mount 命令时指定了 direct_io 选项，在这种情况中 read() 系统调用的返回值会影响这个操作的返回值 */

    int (*write) (const char *, const char *, size_t, off_t,struct fuse_file_info *);
    /* 这个函数将数据写入一个打开的文件中。除非碰到 EOF 或出现错误，否则 write() 应该返回所请求的字节数的数据。一个例外是在执行 mount 命令时指定了 direct_io 选项（这于 read() 操作的情况类似） */

    int (*statfs) (const char *, struct statfs *);
    /* 这个函数获取文件系统的统计信息。f_type 和 f_fsid 域都会被忽略 */

    int (*flush) (const char *, struct fuse_file_info *);
    /* 这表示要刷新缓存数据。它并不等于 fsync() 函数 —— 也不是请求同步脏数据。每次对一个文件描述符执行 close() 函数时，都会调用 flush()；因此如果文件系统希望在 close() 中返回写错误，并且这个文件已经缓存了脏数据，那么此处就是回写数据并返回错误的好地方。由于很多应用程序都会忽略 close() 错误，因此这通常用处不大 */

    int (*release) (const char *, struct fuse_file_info *);
    /* 这个函数释放一个打开文件。release() 是在对一个打开文件没有其他引用时调用的 —— 此时所有的文件描述符都会被关闭，所有的内存映射都会被取消。对于每个 open() 调用来说，都必须有一个使用完全相同标记和文件描述符的 release() 调用。对一个文件打开多次是可能的，在这种情况中只会考虑最后一次 release，然后就不能再对这个文件执行更多的读/写操作了。release 的返回值会被忽略 */

    int (*fsync) (const char *, int, struct fuse_file_info *);
    /* 这个函数用来同步文件内容。如果 datasync 参数为非 0，那么就只会刷新用户数据，而不会刷新元数据 */

    int (*setxattr) (const char *, const char *, const char *, size_t, int);
    int (*getxattr) (const char *, const char *, char *, size_t);
    int (*listxattr) (const char *, char *, size_t);
    int (*removexattr) (const char *, const char *);
    /* 这些函数分别用来设置、获取、列出和删除扩展属性 */
    ......
};

更多详细说明，请见fuse.h文件。

参考&鸣谢