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一篇文綜合分析Fuse！

2023-03-09 15:23 作者:補給站Linux內(nèi)核 0人讀過 | 我要投稿

FUSE需求

究竟什么樣的需求才能用到用戶文件系統(tǒng)？

來看一個小例子：

需求是這樣的。在deepin的安裝器中，安裝器就會給多分出一個分區(qū)：數(shù)據(jù)盤。

數(shù)據(jù)盤的主要作用是讓用戶存放數(shù)據(jù)文件，也就是以前用Windows的時候D盤或者E盤等的作用，放點圖片、視頻資源等。用戶重裝系統(tǒng)的時候，也可以方便的做數(shù)據(jù)遷移。這個數(shù)據(jù)盤大概隱含隱性需求：

文件權限不要太嚴格；

主要差別體現(xiàn)在ACL規(guī)則的繼承上面，上面一句默認繼承

Linux（可能其他系統(tǒng)也是）對ACL的處理有點奇怪，假如在擁有ACL規(guī)則的對象（文件或者文件夾）上進行chmod操作，那么chmod?會對對象的ACL規(guī)則造成影響，影響的結果就是對象雖然有ACL規(guī)則，但是ACL的有效值會變成chmod要達成的效果。

造成的問題：系統(tǒng)里面的A用戶放在數(shù)據(jù)盤里面的文件B用戶怎么無法訪問

FUSE（Filesystem in Userspace）就是用戶空間的文件系統(tǒng)，它的出現(xiàn)讓非內(nèi)核開發(fā)者開發(fā)自己的文件系統(tǒng)成為可能，非特權用戶不需要獲取特權就可以掛載自己的文件系統(tǒng)。對于開發(fā)者來說，F(xiàn)USE更多是一個開發(fā)框架，用來開發(fā)和實現(xiàn)用戶空間系統(tǒng)，這個框架主要分為三個部分：內(nèi)核模塊、libfuse和文件系統(tǒng)守護進程，它們之間的關系如下圖所示：

圖中的./hello就是文件系統(tǒng)守護進程，/tmp/fuse則是這個文件系統(tǒng)的掛載點。文件系統(tǒng)工作在用戶空間，通過libfuse跟內(nèi)核中的FUSE模塊進程通信，代理所有用戶對掛載點內(nèi)文件的訪問請求，從而實現(xiàn)特殊的文件系統(tǒng)功能需求。

舉個例子，sshfs就是一種用戶空間文件系統(tǒng)，用來將ssh服務器上的一個文件夾掛載到本地使用。它的使用方式特別簡單，只需執(zhí)行命令：sshfs [user@]host:[dir] mountpoint，這樣你在mountpoint下看到的文件的文件就是你ssh服務器上相應文件夾的文件，你再本地做得修改也都會在你的ssh服務器上體現(xiàn)出來。

因為libfuse使用起來非常方便，所以有不少有意思的文件系統(tǒng)都是基于FUSE完成的（見FUSE Filesystems）。類似上面的sshfs可能更像是開發(fā)者的一個玩具，但是FUSE家族也不缺乏一些重量級的文件系統(tǒng)，像ZFS和NTFS等也是基于FUSE實現(xiàn)的。這么說并不是在FUSE完美無瑕，實際上很多人批評FUSE的性能比較差，據(jù)To FUSE or Not to FUSE: Performance of User-Space File Systems這篇論文測算，F(xiàn)USE文件系統(tǒng)在吞吐量上比原生的文件系統(tǒng)要低83%，而CPU占用則要高31%。

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Extfuse提出背景

EXTFUSE與現(xiàn)有的用戶文件系統(tǒng)框架協(xié)同工作，允許快速路徑和現(xiàn)有的慢速路徑共存，而不會對目標用戶文件系統(tǒng)的設計進行重大更改

fuse 文件掛載的小例子：

Fuse 包含兩個部分 - kernel 和用戶態(tài) daemon。內(nèi)核部分是一個 Linux 的內(nèi)核模塊，它會在 Linux 的 VFS 上面注冊一個 Fuse 的文件系統(tǒng)驅(qū)動。這個 Fuse 驅(qū)動可以認為是一個 proxy，會將請求給轉(zhuǎn)發(fā)到后面的用戶態(tài) daemon 上面。

Fuse 內(nèi)核模塊也會注冊一個?/dev/fuse?的塊設備，這個就是 kernel 和用戶態(tài) daemon 交互的接口。通常 Daemon 會從?/dev/fuse?上面讀取到 Fuse 的請求，處理并且將數(shù)據(jù)寫回到?/dev/fuse。一個簡單的 Fuse 流程如下：

應用程序在掛載的 Fuse 的文件系統(tǒng)上面進行操作。
VFS 會將操作轉(zhuǎn)發(fā)到 Fuse 的 kernel driver 上面。
Fuse 的 kernel driver 分配一個 request，并且將這個 request 提交到 Fuse 的 queue 上面。
Fuse 的用戶態(tài) daemon 會從 queue 里面通過讀取?/dev/fuse?將這個 request 取出來并且處理。這里需要注意，處理 request 的時候仍然可能進入 kernel，譬如可能將 request 發(fā)到 Ext4 去實際處理。
當請求處理完畢，Daemon 會將結果寫回到?/dev/fuse。
Fuse 的 kernel 標記這個 request 結束，然后喚醒用戶應用程序。

EXTFUSE由三個組件組成。首先是一個幫助器用戶庫，它提供了一組熟悉的文件系統(tǒng)API來注冊擴展并實現(xiàn)C語言子集的定制快速路徑功能。其次，包裝器(no-op)插入驅(qū)動程序，該驅(qū)動程序與低級VFS接口連接，并提供必要的支持，以便根據(jù)需要將請求轉(zhuǎn)發(fā)到已注冊的內(nèi)核擴展以及較低的文件系統(tǒng)。第三，安全地執(zhí)行擴展的內(nèi)核內(nèi)的虛擬機(VM)運行時。

慢速路徑：開銷大，紅色的切換

快速路徑：開銷小，迅速切換

工作流程：

1.掛載階段：在掛載用戶文件系統(tǒng)時，F(xiàn)USE驅(qū)動程序向用戶空間守護進程發(fā)送FUSE_INIT請求。(1&&4)

2.用戶守護進程通過在請求參數(shù)中查找FUSE_CAP_EXTFUSE標志來檢查操作系統(tǒng)內(nèi)核是否支持EXTFUSE框架。如果支持，守護程序必須調(diào)用libExtFUSE init API將包含專用處理程序(擴展)的eBPF程序加載到內(nèi)核中，并將其注冊到EXTFUSE驅(qū)動程序。這是使用bpf_Load_prog系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)調(diào)用eBPF驗證器來檢查擴展的完整性。