linuxkernelfuse源码剖析

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1、FUSE源码剖析1.前言 本文是对FUSE-2.9.2源码的学习总结。FUSE代码在用户空间和内核空间都有运行，为了突出重点，先简要描述了在基于FUSE的用户空间文件系统中执行write操作的一般流程，接下来介绍了 重要的数据结 构，最后以FUSE的运行过程为线索，剖析FUSE程序运行过程的3个关键步骤：1.FUSE模块加载2.mount和open过程3.对文件write。对于虚拟文件系统和设备驱动的相关概念本文仅作简要说明。需要说明的是，由于内核的复杂性及个人能力的有限，本文省略了包括内核同步，异常检查在内的诸多内容，希望可以突出重点。2.FUSE下write的一般流程 图1在基于FUSE的

2、用户空间文件系统中执行write操作的流程如图1所示(由于版面关系，图中部分函数是缩写，请参考源码)：1.客户端在mount目录下面，对一个regularfile调用write,这一步是在用户空间执行2.write内部会调用虚拟文件系统提供的一致性接口vfs_write3.根据FUSE模块注册的file_operations信息，vfs_write会调用fuse_file_aio_write，将写请求放入fuseconnection的requestpendingqueue,随后进入睡眠等待应用程序reply4.用户空间的libfuse有一个守护进程通过函数fuse_session_loop轮询

3、杂项设备/dev/fuse,一旦requestqueue有请求即通过fuse_kern_chan_receive接收5.fuse_kern_chan_receive通过read读取requestqueue中的内容，read系统调用实际上是调用的设备驱动接口fuse_dev_read6.在用户空间读取并分析数据，执行用户定义的write操作，将状态通过fuse_reply_write返回给kernel7.fuse_reply_write调用VFS提供的一致性接口vfs_write8.vfs_write最终调用fuse_dev_write将执行结果返回给第3步中等待在waitq的进程，此进程得到r

4、eply后，write返回3.数据结构本节主要介绍了FUSE中比较重要的数据结构，需要说明的是图示中只列出了与叙述相关的数据成员，完整的数据结构细节请参考源码。3.1.内核部分 图2structfuse_conn：每一次mount会实例化一个structfuse_conn即fuseconnection,它代表了用户空间和内核的通信连接。fuseconnection维护了包括pendinglist,processinglist和iolist在内的requestqueue，fuseconnection通过这些队列管理用户空间和内核空间通信过程。structfuse_req：每次执行系统调用时会生成

5、一个structfuse_req,这些fuse_req依据state被组织在不同的队列中，structfuse_conn维护了这些队列.structfile:存放打开文件与进程之间进行交互的有关信息，描述了进程怎样与一个打开的文件进行交互，这类信息仅当进程访问文件期间存在于内核内存中。structinode：文件系统处理文件所需要得所有信息都放在一个名为inode(索引节点)的数据结构中。文件名可以随时更改，但是索引节点对文件是唯一的，并且随着文件的存在而存在。structfile_operation：定义了可以对文件执行的操作。3.2.用户空间部分 图3structfuse_req：这个结构

6、和上文中内核的fuse_req同名，有着类似的作用，但是数据成员不同。structfuse_session：定义了客户端管理会话的结构体，包含了一组对session可以执行的操作。structfuse_chan：定义了客户端与FUSE内核连接通道的结构体，包含了一组对channel可以执行的操作。structfuse_ll_ops：结构的成员为一个函数指针func和命令名字符串name，内核中发过来的每一个request最后都映射到以此结构为元素的数组中。4.FUSE模块加载FUSE内核模块需要在用户空间使用insmod或者modprobe加载。它们通过系统调用init_module启动加载过

7、程，注册过程比较简单，包括如下步骤：1.创建高速缓存结构fuse_inode_cachep2.遍历file_systems链表，如果未注册，则将fuseblk_fs_type链到file_systems链表尾部3.遍历file_systems链表，如果未注册，则将fuse_fs_type链到file_systems链表尾部4.创建fuse_kobj和connections_kobj两个kobject5.遍历file_systems链表，如果未注册，则将fuse_ctl_fs_type链到file_systems链表尾部模块成功加载以后，以下接口被注册1234567891011121314151

8、617181920212223242526272829303132333435static struct file_system_type fuseblk_fs_type = /块设备.owner= THIS_MODULE,.name = fuseblk,.mount= fuse_mount_blk,.kill_sb= fuse_kill_sb_blk,.fs_flags = FS_REQUIRES_DEV | FS_HAS_SUBTYPE,;static struct file_system_type fuse_fs_type = .owner= THIS_MODULE,.name = fu

9、se,.fs_flags = FS_HAS_SUBTYPE,.mount= fuse_mount,.kill_sb= fuse_kill_sb_anon,;const struct file_operations fuse_dev_operations = .owner= THIS_MODULE,.llseek = no_llseek,.read = do_sync_read,.aio_read = fuse_dev_read,.splice_read= fuse_dev_splice_read,.write= do_sync_write,.aio_write= fuse_dev_write,

10、.splice_write = fuse_dev_splice_write,.poll = fuse_dev_poll,.release= fuse_dev_release,.fasync = fuse_dev_fasync,;static struct miscdevice fuse_miscdevice = .minor = FUSE_MINOR,.name= fuse,.fops= &fuse_dev_operations,;5.mount和open过程FUSE模块加载注册了fuseblk_fs_type和fuse_fs_type两种文件类型，默认情况下使用的是fuse_fs_type即

11、mount函数指针被初始化为fuse_mount,而fuse_mount实际调用mount_nodev，它主要由如下两步组成：1.sget(fs_type)搜索文件系统的超级块对象(super_block)链表(type-fs_supers),如果找到一个与块设备相关的超级块，则返回它的地址。否则，分配并初始化一个新的超级块对象，把它插入到文件系统链表和超级块全局链表中，并返回其地址。2.fill_super(此函数由各文件系统自行定义):这个函数式各文件系统自行定义的函数，它实际上是fuse_fill_super。一般fill_super会分配索引节点对象和对应的目录项对象,并填充超级块字段

12、值，另外对于fuse还需要分配fuse_conn,fuse_req。需要说明的是，它在底层调用了fuse_init_file_inode用fuse_file_operations和fuse_file_aops分别初始化inode-i_fop和inode-i_data.a_ops。1234567891011121314151617181920212223242526272829static const struct file_operations fuse_file_operations = .llseek = fuse_file_llseek,.read = do_sync_read,.aio

13、_read = fuse_file_aio_read,.write= do_sync_write,.aio_write= fuse_file_aio_write,.mmap = fuse_file_mmap,.open = fuse_open,.flush= fuse_flush,.release= fuse_release,.fsync= fuse_fsync,.lock = fuse_file_lock,.flock= fuse_file_flock,.splice_read= generic_file_splice_read,.unlocked_ioctl = fuse_file_ioc

14、tl,.compat_ioctl = fuse_file_compat_ioctl,.poll = fuse_file_poll,.fallocate= fuse_file_fallocate,;static const struct address_space_operations fuse_file_aops= .readpage = fuse_readpage,.writepage= fuse_writepage,.launder_page = fuse_launder_page,.readpages= fuse_readpages,.set_page_dirty = _set_page

15、_dirty_nobuffers,.bmap = fuse_bmap,.direct_IO= fuse_direct_IO,;open系统调用底层实现相当复杂，它的主要工作是实例化file对象。file-f_op就是在open中被赋值为inode-i_fop，这一过程读者可以在fs/open.c中的do_entry_open函数中找到。如上所述，inode-i_fop已经被fuse_init_file_inode初始化为fuse_file_operations。至此，普通文件和设备文件的操作接口都已成功初始化。6.FUSE用户空间流程FUSE在用户空间提供了fuseuserspacelibra

16、ry和mount/unmount。fuseusespacelibrary提供了一组API供用户开发用户空间文件系统。用户要做的就是实现fuse_operations或fuse_lowlevel_ops定义的操作,这两个结构类似于VFS中的structfile_operations。mount工具fusermount用于挂载用fuse实现的文件系统。用户在使用fuse的时候有两种开发模式：一种是high-level模式，此模式下fuse的入口函数为fuse_main，它封装了一系列初始化操作，使用简单，但是不灵活。另一种是low-level模式，用户可以利用fuse提供的底层函数灵活开发应用程序

17、。需要说明的是high-level模式其实是对low-level的封装，因此这里分析lowlevel模式。 图4图4展示FUSE在用户空间总体工作流程：1.调用fuse_mount实例化structfuse_chan为ch,将指定目录mount到挂载点2.实例化structfuse_session为se，并且将se和ch关联3.进入循环，从/dev/fuse读取数据，处理以后执行响应的操作 图5图5展示了fuse_mount函数内部流程：1.确保打开的文件描述符至少大于22.分析并检查用户传入的参数3.打开/dev/fuse得到fd，用户空间与内核通过/dev/fuse通信4.mount源目录

18、到挂载点5.用fd实例化structfuse_chan为ch6.返回ch 图6图6展示了fuse_mount_compat25内部细节，进入循环以后，函数fuse_session_receive_buf实际通过fuse_ll_receive_buf从/dev/fuse中读取数据，其通过fbuf返回。fuse_ll_receive_buf是通过read或者splice系统调用从内核request队列中读取数据。函数fuse_session_process_buf实际通过fuse_ll_process_buf处理数据，fuse_ll_process_buf会根据数据类型最后执行用户定义的操作fus

19、e_ll_opsin-opcode.func(req,in-nodeid,inarg)。执行完用户定义的操作以后需要向内核返回执行结果，fuse提供了一组类似fuse_reply_XXX的API,这些API最后实际通过系统调用writev将结果传入内核。7.FUSE内核部分流程FUSE在内核空间执行的部分主要包括FUSE模块加载以及杂项设备驱动。模块加载过程已经在第4节介绍，这一节主要描述从request队列读写请求的流程。FUSE设备驱动程序本质上是一个生产者消费者模型。生产者为用户在挂载目录下对普通文件(regularfile)执行的系统调用，每一次系统调用会产生一个request然后将去

20、放入pendinglist。pendinglist能存放的元素个数只和系统内存有关；消费者为用户对设备文件/dev/fuse或者/dev/fuseblk的read，这一操作会去pendinglist或interruptlist取request，当list为空时，进程主动schedule让出CPU。request结构的细节在第3节已经介绍，此处不赘述。enmufuse_req_state定义了request的6种状态，其含义分别为：FUSE_REQ_INIT：请求被初始化FUSE_REQ_PENDING：请求挂起待处理FUSE_REQ_READING：请求正在读FUSE_REQ_SENT：请求被

21、发送FUSE_REQ_WRITING：请求正在写FUSE_REQ_FINISHED：请求已经完成 图7图7是在mount目录下面执行write以后触发的一个函数调用序列，图中省略了VFS层的函数调用。fuse_file_aio_write是在mount过程中注册到fuse_file_operations.aio_write的函数指针，它会调用fuse_perform_write，fuse_perform_write调用get_fuse_conn得到structfuse_conn实例fc，它保存在structsuper_block的私有数据成员中s_fs_info中，而structsuper_b

22、lock是structinode的一个成员。接下来是循环从用户空间拷贝数据到内核，数据实际保存在structpages中，内核fuse_req保存了pages指针，然后调用fuse_send_write_pages。 图8Fuse_send_write_pages调用会等待脏数据写回到磁盘上，然后调用fuse_write_fill将包括操作码FUSE_WRITE在内的信息写入request。随后fuse_request_send(fc,req)，它先通过fuse_get_unique获取唯一请求号，请求号是一个64位无符号整数，请求号从1开始随请求依次递增。然后调用queue_request(

23、fc,req)，它主要完成4件事情：1.将request-list插入fc维护的pending链表尾部2.置req-state为FUSE_REQ_PENDING3.wake_up唤醒等待队列fc-waitq4.kill_fasync异步通知用户进程数据到达从queue_request返回以后调用request_wait_answer:进程被投入睡眠，等待请求完成(wait_event(req-state=FUSE_REQ_FINISHED)。如果用户程序处理完了请求，它会reply，进程被唤醒，到此可以向上层调用返回处理结果(错误码或者写入字节数)。在第6节我们提到了用户空间有个daemon进

24、程会循环read设备文件/fuse/dev以便处理内核请求，图9展示了该read调用触发的函数调用序列。 图9从第4节可知，FUSE模块加载过程注册了对设备文件/dev/fuse的操作接口fuse_dev_operations。由此可知，read底层实际调用的是fuse_dev_readfuse_dev_read首先通过fuse_get_conn获得structfuse_conn的实例fc，通过fuse_copy_init为structfuse_copy_state分配内存并将其实例化。主要的数据读取在fuse_dev_do_read中分4步完成：1.request_wait:在挂起的列表上等

25、待一个请求到达:(1).DECLARE_WAITQUEUE(wait,current):创建等待队列项，并将其初始化为current(2).add_wait_queue_exclusive(&fc-waitq,&wait):将wait加入fc-waitq,当有请求发送到FUSE文件系统时，这个等待队列上的进程会被唤醒(3).如果没有request，一直循环检查pendinglist和interruptlist,直到有请求；如果有请求则将state设置为TASK_RUNNING(4).将wait从等待队列中移除2.list_entry(fc-pending.next,structfuse_req

26、,list)：从fc-pending.next中取出request,req-state状态设为FUSE_REQ_READING,3.将req-list移到fc-io4.fuse_copy_one:将数据拷贝到structfuse_copy_state的buf中(此buf指针指向应用层的void*buf)，返回。阅读代码时需要注意:fuse_dev_read：structfuse_copy_state成员write为1；fuse_dev_write:structfuse_copy_state成员write为0。用户读取request，分析并执行以后需要调用fuse_write_reply回复内核

27、，这个函数最终调用write写/dev/fuse。图10是write触发的函数调用序列。图10write前两步和read类似即获取fc(structfuse_conn)和实例化cs(structfuse_copy_state)实际的写数据操作在fuse_dev_do_write中执行，可以分为7步完成数据的写入：1.fuse_copy_one(cs,&oh,sizeof(oh):将数据从cs(structfuse_copy_state)拷贝到oh(structfuse_out_header)2.request_find(fc,oh.unique)，根据uniqueid在fc(fuse_conn)中找到相应的request3.设置req-state为FUSE_REQ_WRITING4.将req-list移到fc-io队列5.req被赋予cs-req6.copy_out_args(cs,&req-out,nbytes)：从cs(structfuse_copy_state)中拷贝参数到req-out7.request_end：请求处理完成，设置req-state=FUSE_REQ_FINISHED,唤醒等待在waitq的进程wake_up(&req-waitq)