文件系统小册（FusePosixK8s csi）【2 Posix标准】

文件系统小册（Fuse&Posix&K8s csi）【2 Posix】

往期文章：文件系统小册（Fuse&Posix&K8s csi）【1 Fuse】

POSIX：可移植操作系统接口（标准）

1 概念

POSIX：Portable Operating System Interface of UNIX，POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准，是在各种UNIX操作系统上运行的软件的一系列API标准的总称。是由IEEE指定的一个标准。

  • 为一个POSIX兼容的操作系统编写的程序，应该可以在任何其它的POSIX操作系统（即使是来自另一个厂商）上编译执行。

  • POSIX 并不局限于 UNIX。许多其它的操作系统也支持POSIX，例如Windows NT就提供了与POSIX兼容的库。

  • 应用程序通过应用编程接口(API)而不是直接通过系统调用来编程。因此程序员不关心系统调用，他们只需要使用好API，而操作系统只需要处理好系统调用。不同的操作系统内核实现同样的功能的方法不同，为了实现可移植性，不同操作系统需要遵循同一套标准。

  • POSIX 涵盖了以下内容：系统接口、命令和实用程序、网络文件访问等

  • 相关文档：https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/POSIX.html

拓展：GNU、Linux、Unix关系

GNU 是一个软件运动和一系列工具，而Linux是操作系统内核，Unix 是一个商业起源的操作系统家族。（GNU+Linux内核组成了我们常说的"Linux"，因此很多人认为Linux发行版应该叫做GNU/Linux）

  1. GNU：
    GNU 是一个自由软件项目，始于1983年，由理查德·斯托曼（Richard Stallman）发起，目标是创建一套完全自由的类Unix操作系统。
    GNU 提供了许多Unix系统中常见的工具、库和编译器，如GCC（GNU Compiler Collection）、Glibc（GNU C Library）和GDB（GNU Debugger）等。GNU 自己并未完成操作系统内核的开发，但其软件组件被广泛用于各种操作系统中，尤其是Linux。
  2. Linux:
    Linux 是一个由林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds）开发的开源操作系统内核，首次发布于1991年。
    Linux 并非GNU项目的一部分，但它通常与GNU软件一起使用，形成了所谓的GNU/Linux操作系统。这种组合提供了与Unix类似的环境，但其内核是Linux，而不是GNU。
    Linux 内核是免费和开源的，可以与各种用户空间工具和库（包括许多GNU组件）结合，形成各种不同的Linux发行版，如Ubuntu、Fedora和Debian等。
  3. Unix:
    Unix 是一种最初由AT&T贝尔实验室开发的操作系统，首次发布于1969年。
    Unix 是商业产品，历史上大部分版本都是闭源的，但也有一些开源实现，如OpenBSD、FreeBSD和Solaris。
    Unix 设计理念对Linux和GNU项目有很大影响，比如它的命令行界面、文件系统结构和多任务处理机制。
    Linux 和GNU项目都遵循POSIX（可移植操作系统接口）标准，以确保与Unix兼容。

三者联系与区别：

  • 联系：
    GNU/Linux 和 Unix 都是多用户、多任务的操作系统，它们都支持网络功能和提供类似的工作环境。
    许多Unix的工具和概念在Linux和GNU项目中得到了实现和扩展，形成了强大的命令行工具链和开发环境。
    Linux 和 GNU 软件的组合使得开发者可以在不侵犯版权的情况下获得与Unix类似的功能和体验。
  • 区别：
    GNU 是一个软件运动和一系列工具，而Linux是操作系统内核。
    Unix 是一个商业起源的操作系统家族，而Linux和GNU项目是开源的。
    Linux 不是GNU项目的一部分，但GNU工具和库经常与Linux内核一起使用。
    Unix 有多个商业和开源版本，而Linux主要以开源社区驱动的发行版形式存在。

参考文章：https://www.gnu.org/gnu/linux-and-gnu.html

2 POSIX的标准文件接口(常用部分)

POSIX标准的文件接口有：close、create、open、read、sync、write、dup、dup2、flock、fcntl、fsync、lseek、mkstemp等。

open：打开文件

close：关闭文件

creat：创建文件

read：读文件内容

write：写内容到文件

lseek：改变文件指针的位置（文件定位）

fsync：将文件数据从系统缓存区写到磁盘

flock：文件锁，用于进程间同步

stat：获取文件的统计信息

truncate：截断文件

symlink：创建符号链接（如：软链，类比快捷方式）

readlink：读取符号链接的内容

opendir：打开目录

readdir：读取目录内容

mkdir：创建目录

rmdir： 删除目录

telldir：定位目录的当前位置

seekdir：定位目录

rename：重命名

chmod：动态修改文件访问权限

chown：动态修改文件所有者和组别

3 与FUSE的关系：FUSE实现了POSIX

  • FUSE设计的目标之一就是支持POSIX标准，这样基于FUSE构建的文件系统可以提供与原生内核文件系统类似的接口，使得用户能够使用标准的系统调用（如open、read、write等）来与FUSE文件系统交互。
  • 通过FUSE，我们可以实现一个符合POSIX标准的文件系统，允许应用程序（包括那些依赖于标准文件操作的程序）无缝地与FUSE文件系统一起工作。
  • FUSE（Filesystem in Userspace）并不直接实现所有的POSIX文件相关操作规范，但它提供了足够的接口来实现一个符合POSIX标准的文件系统。FUSE的核心在于它为用户空间的文件系统实现提供了一个桥梁，允许开发者通过用户空间的程序来响应内核的文件系统调用。这些调用包括了大部分POSIX标准中的文件操作，但不是所有。

fuse_operations 结构体定义了一系列的回调函数，这些函数对应于POSIX文件操作，例如：

  • getattr: 实现stat操作。
  • read: 实现read操作。
  • write: 实现write操作。
  • open: 实现open操作。
  • create: 实现creat操作。
  • unlink: 实现unlink操作。
  • rename: 实现rename操作。
  • mkdir: 实现mkdir操作。
  • symlink: 实现symlink操作。
  • readlink: 实现readlink操作。
  • chmod: 实现chmod操作。
  • chown: 实现chown操作。
  • truncate: 实现truncate操作。
    flush: 实现文件关闭前的清理操作。
    …

源码：

  • https://github.com/libfuse/libfuse/中的fuse.h文件
/** Get file attributes.
	 *
	 * Similar to stat().  The 'st_dev' and 'st_blksize' fields are
	 * ignored. The 'st_ino' field is ignored except if the 'use_ino'
	 * mount option is given. In that case it is passed to userspace,
	 * but libfuse and the kernel will still assign a different
	 * inode for internal use (called the "nodeid").
	 *
	 * `fi` will always be NULL if the file is not currently open, but
	 * may also be NULL if the file is open.
	 */
	int (*getattr) (const char *, struct stat *, struct fuse_file_info *fi);

	/** Read the target of a symbolic link
	 *
	 * The buffer should be filled with a null terminated string.  The
	 * buffer size argument includes the space for the terminating
	 * null character.	If the linkname is too long to fit in the
	 * buffer, it should be truncated.	The return value should be 0
	 * for success.
	 */
	int (*readlink) (const char *, char *, size_t);

	/** Create a file node
	 *
	 * This is called for creation of all non-directory, non-symlink
	 * nodes.  If the filesystem defines a create() method, then for
	 * regular files that will be called instead.
	 */
	int (*mknod) (const char *, mode_t, dev_t);

	/** Create a directory
	 *
	 * Note that the mode argument may not have the type specification
	 * bits set, i.e. S_ISDIR(mode) can be false.  To obtain the
	 * correct directory type bits use  mode|S_IFDIR
	 * */
	int (*mkdir) (const char *, mode_t);

	/** Remove a file */
	int (*unlink) (const char *);

	/** Remove a directory */
	int (*rmdir) (const char *);

	/** Create a symbolic link */
	int (*symlink) (const char *, const char *);

	/** Rename a file
	 *
	 * *flags* may be `RENAME_EXCHANGE` or `RENAME_NOREPLACE`. If
	 * RENAME_NOREPLACE is specified, the filesystem must not
	 * overwrite *newname* if it exists and return an error
	 * instead. If `RENAME_EXCHANGE` is specified, the filesystem
	 * must atomically exchange the two files, i.e. both must
	 * exist and neither may be deleted.
	 */
	int (*rename) (const char *, const char *, unsigned int flags);

	/** Create a hard link to a file */
	int (*link) (const char *, const char *);

	/** Change the permission bits of a file
	 *
	 * `fi` will always be NULL if the file is not currently open, but
	 * may also be NULL if the file is open.
	 */
	int (*chmod) (const char *, mode_t, struct fuse_file_info *fi);

	/** Change the owner and group of a file
	 *
	 * `fi` will always be NULL if the file is not currently open, but
	 * may also be NULL if the file is open.
	 *
	 * Unless FUSE_CAP_HANDLE_KILLPRIV is disabled, this method is
	 * expected to reset the setuid and setgid bits.
	 */
	int (*chown) (const char *, uid_t, gid_t, struct fuse_file_info *fi);

	/** Change the size of a file
	 *
	 * `fi` will always be NULL if the file is not currently open, but
	 * may also be NULL if the file is open.
	 *
	 * Unless FUSE_CAP_HANDLE_KILLPRIV is disabled, this method is
	 * expected to reset the setuid and setgid bits.
	 */
	int (*truncate) (const char *, off_t, struct fuse_file_info *fi);
	...

4 测试系统是否满足POSIX语义 （pjdfstest）

pjdfstest：用于测试posix语义

#git clone源码
git clone https://github.com/pjd/pjdfstest.git
cd pjdfstest

# 编译源码
autoreconf -ifs   
 ./configure   
make pjdfstest
# 查看版本
prove --version

## 进入目标目录，执行pjdfstest脚本
cd /root/test （文件系统的挂载目录）
# 测试所有用例(-v显示进度)
prove -rv /root/pjdfstest/tests（pjdfstest里的tests目录）
# 测试单个语义
prove -r /root/pjdfstest/tests/open

在这里插入图片描述

参考：https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/POSIX.html

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