文件系统小册（FusePosixK8s csi）【1 Fuse】

文件系统小册（Fuse&Posix&K8s csi）【1 Fuse：用户空间的文件系统】

Fuse(filesystem in userspace),是一个用户空间的文件系统。通过fuse内核模块的支持，开发者只需要根据fuse提供的接口实现具体的文件操作就可以实现一个文件系统。由于其主要实现代码位于用户空间中，而不需要重新编译内核，这给开发者带来了众多便利。

  • 虽然Fuse简化了文件系统的实现，给开发者带来了便利。但是其额外的内核态/用户态切换带来的性能开销不能被忽视，所以fuse性能问题，一直是业界绕不开的话题。下面说到的splice、多线程、writeback cache都是为了改善其性能问题。

1 架构设计（执行流程）

  1. 用户程序挂载到fuse文件系统，比如此时执行ls命令
  2. VFS（虚拟文件系统）检测到挂载到fuse文件系统上的用户程序发送的请求，会将其转发给fuse driver
  3. fuse driver接受到request请求，会将其保存到queue中，同时暂停用户程序（ls会卡主，等待返回结果），同时唤醒fuse daemon处理请求
  4. fuse daemon（守护进程）通过/dev/fuse读取queue中的request，经过处理后将其转发给内核底层文件系统（EXT4等）。
  5. 内核文件系统处理完成后将结果返回给fuse daemon，fuse daemon将结果写回/dev/fuse
  6. fuse driver将该request标记为completed，并唤醒用户进程，返回对应执行结果。（ls执行结束，终端展示文件列表）
    在这里插入图片描述

2 相关组件

①VFS：转发请求给fuse driver

VFS（虚拟文件系统）检测到挂载到fuse文件系统上的用户程序发送的请求，会将其转发给fuse driver

② FUSE drvier（queue）：接受请求保存到queue

fuse driver接受到request请求，会将其保存到queue中，同时暂停用户程序（ls会卡主，等待返回结果）

③/dev/fuse(桥梁)：fuse daemon通过/dev/fuse读取queue中的请求

FUSE 驱动程序（fuse driver）处理请求并将其加入队列，然后通过 /dev/fuse 文件（FUSE 守护程序无法读取该文件）中的特定连接实例将请求提交给负责处理该 FUSE 文件系统的 FUSE 守护程序。

  • fuse daemon通过/dev/fuse来读取request queue中的请求

④fuse daemon（中间人）：从queue中读取请求转发给底层文件系统

fuse daemon（守护进程）通过/dev/fuse读取queue中的request，经过处理后将其转发给内核底层文件系统（EXT4等）。

⑤fuse lib：提供接口和内核fuse模块通信

fuse的lib库，封装好了对应接口。fuse的lib库，提供接口和内核fus模块通信

⑥内核文件系统（如：EXT4）

内核层面的文件系统，真正操作文件的系统。

3 实现细节

① fuse用户空间流程

1. fuse mount：通过mount函数将path挂载到/dev/fuse设备

Fuse的挂载通过mount函数，将指定的fuse_path挂载到/dev/fuse设备上。之后对于fuse_path下的文件操作，都会通过fuse文件系统，并通过/dev/fuse被fuse daemon读取处理。

在这里插入图片描述

2. fuse thread：fuse daemon创建的服务线程

Fuse daemon还会创建一个服务线程，基于libfuse库来处理文件操作请求。这里主要关注fuse_session_new和fuse_session_loop_mt。通过fuse_session_new在libfuse中注册了fuse daemon实现的fuse_lowlevel_ops，之后通过fuse的所有的文件操作，都会通过libfuse回调到fuse daemon进行处理。fuse_session_loop_mt在libfuse中实现了一个多线程模式来读取请求，相比单线程，在请求处理上效率更高。

  • fuse daemon创建的服务线程
  • 基于libfuse库处理请求
  • 可多线程模式
  • 通过fuse_session_new（new一个session，与内核fuse模块通信）+fuse_session_loop_mt（多线程处理请求）

在这里插入图片描述

3. libfuse：fuse的lib库，提供接口和内核fus模块通信

fuse_session_loop_mt：fuse thread基于多线程方式处理请求

  • splice实现内存零拷贝。在默认情况下，fuse daemon必须通过read()从/dev/fuse读取请求，通过write()将请求回复写入/dev/fuse。每次读写系统调用都需要进行一次内核-用户空间的内存拷贝。这样对读写的性能损耗十分严重，因为一次内存拷贝需要处理大量数据。为了缓解这个问题，fuse支持了Linux内核提供的 splice 功能。splice 允许用户空间在两个内核内存缓冲区之间传输数据，而无需将数据复制给用户空间。如果fuse daemon实现了write_buf()方法，则 FUSE 从/dev/fuse读取数据，并以包含文件描述符的缓冲区的形式将数据直接传递给此方法处理，从而省去了一次内存申请与拷贝。[提供缓冲区传数据，避免用户空间与内核空间来回切换耗时]
  • 多线程模式。在多线程模式下，fuse daemon以一个线程开始，如果内核队列中有两个以上的request，则会自动生成其他线程。默认最大支持10个线程同时处理请求。 [多线程：队列request>2，自动生成新线程，最大支持10并发]在这里插入图片描述

②fuse内核队列（维护了5个队列）

fuse在内核中维护了五个队列，分别为：Backgroud、Pending、Processing、Interrupts、Forgets。一个请求在任何时候只会存在于一个队列中。

  • Backgroud：存异步请求
  • Pending：存同步请求
  • Processing：存处理中的请求
  • Interrupts：存中断请求（如：用户ctrl+C，取消请求），优先级最高
  • Forgets：存forget请求（清理cache中的inode）

在这里插入图片描述

1. Backgroud：暂存异步请求

Backgroud：background 队列用于暂存异步请求。在默认情况下，只有读请求进入 background 队列；当writeback cache启用时，写请求也会进入 background 队列。当开启writeback cache时，来自用户进程的写请求会先在页缓存中累积，然后当bdflush 线程被唤醒时会下刷脏页。在下刷脏页时，FUSE会构造异步请求，并将它们放入 background 队列中。

2. Pending：存储同步请求

同步请求（例如，元数据）放在 pending 队列中，并且pending队列会周期性接收来自background 的请求。但是pending队列中异步请求的个数最大为max_background（最大为12），当pending队列的异步请求未达到12时，background队列的请求将被移动到pending队列中。这样做的目的是为了控制pending队列中异步请求的个数，防止在突发大量异步请求的情况下，阻塞了同步请求。

3. Processing：存储正在处理的请求

Processing：当pending队列中的请求被转发到fuse daemon的同时，也被移动到processing队列。所以processing队列中的请求，表示正在被处理fuse daemon处理的请求。当fuse daemon真正处理完请求，通过/dev/fuse下发reply时，该请求将从processing队列中删除。

4. Interrupts：存放中断请求（用户取消请求：如：ctrl+C）

Interrupts：用于存放中断请求，比如当发送的请求被用户取消时，内核会发送一个Interrupts请求，来取消已被发送的请求。中断请求的优先级最高，Interrupts中的请求会最先得到处理。

5. Forgets：记录清理cache中inode的请求

Forgets：存储forgets请求，forget请求用于删除cache中缓存的inode。

③/dev/fuse 读写调用流程

Fuse driver加载过程中注册了对/dev/fuse的操作接口fuse_dev_operations。fuse_dev_do_read/fuse_dev_do_write分别对应fuse daemon从内核读取请求，以及处理完请求后写回reply的函数调用。

  1. pending 、interrups、forgets队列为空时，读进程休眠。
  2. 一旦有request到达，对应等待队列上的进程被唤醒（Interrups 和 forgets优先级高于pending队列请求）
  3. 当请求数据内容被拷贝到用户空间后（fuse daemon在进行处理了）
  4. 该请求被移动到processing队列，标识该请求已被处理。
  5. req->flags会保存当前请求的状态
  6. fuse daemon处理完请求后（fuse daemon与内核底层FS打交道）
  7. fuse daemon将结果写回到/dev/fuse。
  • 其中写数据保存在struct fuse_copy_state中，并且会根据unique id在fc(fuse_conn)中找到对应的req，并将写回的参数从fuse_copy_state拷贝至req->out。

源码逻辑：

当pending 、interrups、forgets队列都没有请求时，读进程进入休眠。一旦有请求到达，这个等待队列上的进程将被唤醒。Interrups 和 forgets的请求优先级高于pending队列。当请求的数据内容被拷贝至用户空间后，该请求会被移至processing队列，并且req->flags会保存当前请求的状态。

在这里插入图片描述

当fuse daemon处理完请求后，会将结果写回到/dev/fuse。写数据保存在struct fuse_copy_state中，并且会根据unique id在fc(fuse_conn)中找到对应的req，并将写回的参数从fuse_copy_state拷贝至req->out。

在这里插入图片描述

4案例：以unlink为例

  1. fuse daemon会阻塞在读/dev/fuse,当app进程在fuse挂载点下面有新的文件操作（unlink）
  2. 这时系统调用会调用fuse内核接口，并生成request，同时唤醒阻塞的fuse daemon
  3. fuse daemon读到request后，在libfuse中进行解析，根据request的opcode来执行对应的ops
  4. 完成后会把处理结果返回给/dev/fuse。此时vfs调用阻塞的行为将被唤醒，最后返回vfs调用。

在这里插入图片描述

5 实战（go-fuse）

相关仓库地址：

  • https://github.com/hanwen/go-fuse
  • https://github.com/bazil/fuse
  • https://github.com/libfuse/libfuse/

Golang操作fuse的库主要有go-fuse、libfuse。这里主要讲解go-fuse

①概述

Go-Fuse 是一个开源的库，由 Han-Wen Nienhuys 创建并维护。该库提供了对 Linux FUSE（Filesystem in Userspace）接口的支持，使得开发人员可以使用 Go 语言构建自己的文件系统。
功能：

  • 构建自定义文件系统：使用 Go-Fuse，您可以根据需要构建自己的文件系统。这可能包括加密、压缩、优化性能等功能。
  • 支持各种平台：由于 Go-Fuse 基于 FUSE，因此它可以跨多个操作系统（如 Linux、macOS 和 Windows）运行。
  • 高度自定义：通过实现特定的接口方法，您可以控制文件系统的每个细节。这为实现复杂的文件系统行为提供了极大的灵活性。

②环境准备

我准备在我本地macos上构建，因此需要fuse命令。

  • macos：https://github.com/osxfuse/osxfuse/releases（下载dmg安装配置）
  • ubuntu： sudo apt-get -y update && sudo apt-get install -y fuse
  • centos：sudo yum -y update && sudo yum install -y fuse

安装好之后，需要确保当前用户需要有执行fuse命令的权限

# 如果当前用户没有权限，可以进行提权或者切换用户，或者修改fuse配置
vim /etc/fuse.conf

打开user_allow_other

③全部代码&解析

//安装依赖
go get "github.com/hanwen/go-fuse/v2/fs"
go get "github.com/hanwen/go-fuse/v2/fuse"

package main

import (
	"context"
	"flag"
	"log"
	"syscall"

	"github.com/hanwen/go-fuse/v2/fs"
	"github.com/hanwen/go-fuse/v2/fuse"
)

type HelloRoot struct {
	fs.Inode
}

func (r *HelloRoot) OnAdd(ctx context.Context) {
	ch := r.NewPersistentInode(
		ctx, &fs.MemRegularFile{
			Data: []byte("file.txt data"),
			Attr: fuse.Attr{
				Mode: 0644,
			},
		}, fs.StableAttr{Ino: 2})
	r.AddChild("file.txt", ch, false)
}

func (r *HelloRoot) Getattr(ctx context.Context, fh fs.FileHandle, out *fuse.AttrOut) syscall.Errno {
	out.Mode = 0755
	return 0
}

var _ = (fs.NodeGetattrer)((*HelloRoot)(nil))
var _ = (fs.NodeOnAdder)((*HelloRoot)(nil))

//./yi-fuse test
func main() {
	debug := flag.Bool("debug", false, "print debug data")
	flag.Parse()
	if len(flag.Args()) < 1 {
		log.Fatal("Usage:\n  ./yi-fuse MOUNTPOINT")
	}
	opts := &fs.Options{}
	opts.Debug = *debug
	server, err := fs.Mount(flag.Arg(0), &HelloRoot{}, opts)
	if err != nil {
		log.Fatalf("Mount fail: %v\n", err)
	}
	server.Wait()
}
  • 我们通过go-fuse库创建了一个用户空间文件系统，该文件系统只包含一个名为file.txt的文件。
  • context：用于处理上下文，可以在异步操作中取消请求。
  • flag：处理命令行参数。
  • log：日志记录。
  • syscall：系统调用接口。
  • fs 和 fuse：来自github.com/hanwen/go-fuse/v2的库，用于实现用户空间文件系统。
  • HelloRoot 结构体：
    • 表示文件系统的根节点，实现了NodeGetattrer和NodeOnAdder接口。
    • OnAdd 方法：当文件系统被加载时调用，创建一个包含file.txt的持久化节点。
    • Getattr 方法：获取文件属性，将file.txt的权限设置为0755。
    • main 函数：
      处理命令行参数，设置调试标志。
      检查至少有一个挂载点参数。
      创建fs.Options，启用调试模式。
      调用fs.Mount挂载文件系统。
      如果挂载失败，打印错误信息并退出。
  • server.Wait()阻塞直到文件系统卸载。

④测试

//编译可执行文件到linux
GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o yi-fuse main.go 
//创建挂载目录
mkdir -p /root/test
//执行挂载（如果不加nohup，默认前台运行）
nohup ./yi-fuse /root/test &

//预期返回我们代码里写的file.txt文件
ls -l /root/test

//读取file.txt文件内容
cat /root/test/file.txt

//卸载挂载
umount /root/test

在这里插入图片描述

参考文章：
https://www.cnblogs.com/Linux-tech/p/14110335.html
https://blog.csdn.net/gitblog_00007/article/details/136569849

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