前言
最近解决问题涉及到了FUSE，遂在此简单总结一下。
代码导读部分未经过实际运行验证，所以分析的流程可能是错的。
FUSE
什么是FUSE
Filesystem in Userspace顾名思义，即在用户空间的文件系统。
为什么要强调用户空间呢？接触过Linux内核的同学大概会知道，文件系统一般是实现在内核里面的，比如，Ext4、Fat32、NTFS(Kernel原生版)等常见的文件系统，其代码都在内核中，而FUSE特殊之处就是，其文件系统的核心逻辑是在用户空间实现的。
为什么FUSE会存在
事物的存在的原因之一是其优势大于劣势，下面是它的优劣描述。
优势
- 文件系统的改动不用更新内核
FUSE的核心逻辑在用户空间，所以修改文件系统的行为绝大部分修改会在用户空间。这在很多场合是一件很方便的事情。 - 很容易实现自己的文件系统
理论上它可以实现任何天马行空的文件系统，只要一个开发者实现了基本的文件操作。而这个所谓的文件操作也是自己定义的，甚至可以这个操作可能只是一句打印而已，或者是一件超级复杂的事情，只要这个操作符合开发者的要求，他就完成了一个符合开发者需求的文件系统（也许本质上并不是文件系统了，这种情况是有现实例子的）。
劣势
- 效率较低
这是显而易见的，就针对块设备的文件系统而言，用户层肯定不如内核实现的效率高，毕竟用户态/内核态切换的开销是少不了的。这也是符合一般软件规律的，越高层次的软件易用性越高，效率越低。
FUSE实现原理
下面这张图体现了FUSE工作的基本套路，是根据WIki里的画的，这张图感觉更符合我看到的代码的状况。
图中体现了FUSE的2个关键部分（绿色方框），分别是Kernel中的那个 FUSE(这里简称kernel FUSE)和user space中的那个
fuse_user程序。其中kernel FUSE是负责把从用户层过来的文件系统操作请求传递给
fuse_user程序的，而这个
fuse_user程序实现了前面所说的文件系统的核心逻辑。
下面分步描述一下在用户对一个FUSE分区上的文件执行ls命令时发生了什么，当然，这里隐含了个前提，即这个系统的
/tmp目录已经属于某个FUSE分区了，为了达到这种状况，前面还需要有一个mount的过程。
图中1号折线过程
- 用户敲
ls -l /tmp/file_on_fuse_fs+回车
这时ls会调用一些系统调用（例如stat(2)）。 - kernel FUSE接收用户请求
文件相关的系统调用会进入VFS处理，然后VFS会根据这个分区的文件系统，找到对应文件系统的实现接口，这里当然是找到kernel FUSE。 - kernel FUSE会把收到的操作请求按照FUSE定义的通信协议发送给
fuse_user程序
那么问题来了，kernel FUSE凭什么把消息给fuse_user，却没给别人呢？
如果看得懂，请体会如下两段代码
// kernel/fs/fuse/dev.c
const struct file_operations fuse_dev_operations = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = fuse_dev_open,
.llseek = no_llseek,
.read_iter = fuse_dev_read,
.splice_read = fuse_dev_splice_read,
.write_iter = fuse_dev_write,
.splice_write = fuse_dev_splice_write,
.poll = fuse_dev_poll,
.release = fuse_dev_release,
.fasync = fuse_dev_fasync,
.unlocked_ioctl = fuse_dev_ioctl,
.compat_ioctl = fuse_dev_ioctl,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(fuse_dev_operations);
static struct miscdevice fuse_miscdevice = {
.minor = FUSE_MINOR,
.name = "fuse",
.fops = &fuse_dev_operations,
};
// fuse_user
int fd = open("/dev/fuse", ...);
read(fd, ...);
write(fd, ...);
1.第一段代码说明，FUSE会创建一个名为fuse的混杂设备文件（简称fuse设备文件）；
2.第二段代码说明，fuse_user可以用过读写fuse设备文件来与kernel FUSE通信，也就是说，fuse_user通过read函数主动读取了kernel FUSE的请求。
至此1号折线走完。
图中2号曲线过程
-
fuse_user收到kernel FUSE发来的请求
这个收发请求的机制在文末的参考资料中有提及，感兴趣的同学可以研究一下。 -
fuse_user处理这个请求
这个“处理”完全是开发者自己定义的，只要符合开发者的要求就是合适的处理方式，不过本文讨论的是针对块设备的货真价实的文件系统，所以这个“处理”必须能够读写块设备上面的内容。
那么一个很简单的问题来了，如果不使用fwrite(3)或write(2)这种方式，怎么写入文件呢？
答案要回到事物的本源，文件是个抽象概念，它本质上只是块设备（例如磁盘、优盘或SD卡）上字节的有序排列而已，所以只要能写入块设备，写入文件当然就可以实现。
那么如何读写块设备呢？请想象插入一个优盘，然后体会下面代码。
int fd = open("/dev/block/sda");//或者sda1
pwrite(fd, buf, count, offset);
解释一下上面代码。当我们插入一个优盘到linux系统时，常见的情况是系统会自动生成/dev/block/sda和/dev/block/sda1两个块设备文件，所以第一句open就是在获取块设备的fd(file descriptor)，然后再用pwrite访问这个fd，将buf的内容向offset位置写count个字节。其中offset是写入位置，即从块设备的哪个字节开始写。虽然这里也是用了write一类的函数，但是write的对象不同哦。
综上所述，再加上pread函数，我们对块设备就可以为所欲为了。
至此，2号曲线走完。
图中3号折线过程
-
fuse_user将处理结果返回给kernel FUSE - 继续顺着1号折线的来路，原路返回处理结果
至此，3号折线走完。
说完了代码，下面我们用2个实际使用的case（Android和NTFS-3G）进行说明。
FUSE的实现代码
如前面所讲，FUSE分为2部分，分别在user、kernel spcae中，在kernel space中的部分由kernel官方维护，user space中的部分（仅是个框架，不包括开发者的实现）有一个开源库叫libfuse，NTFS-3G就是基于这个FUSE框架的实现，另一个我接触到实现是Android 8.0的中SD卡的文件系统的实现，它没有用libfuse，完全是谷歌自己写的一个实现。
NTFS-3G与FUSE
关于NTFS-3G
NTFS-3G是一个叫Szabolcs Szakacsits的开发者2006年创建的项目，后来他创建了一个公司叫Tuxera，从事很多NTFS文件系统相关的业务，NTFS-3G这个开源项目，也由这个公司维护至今，它就是一份典型的FUSE文件系统实现源码。
代码导读
根据上面所说的原理，这个文件系统中必然存在着块设备和fuse设备的open/close/read/write。下面着重描述3个重要动作，分别是打开块设备、打开fuse设备和处理kernel FUSE请求，啥也不说了，都在代码里了，撸！。
ntfs-3g.c
main——打开块设备
{
...
//打开块设备，opts.device就是块设备的名字，例如"/dev/block/sda1"
//这里就是前面代码中的open来获得fd的动作
err = ntfs_open(opts.device);
==> ctx->vol = ntfs_mount(device, flags);
{
dev = ntfs_device_alloc(name, 0, &ntfs_device_default_io_ops, NULL);
{
//埋下伏笔(1)！！！
//注册了设备文件操作函数
//dev->d_ops->open = ntfs_device_unix_io_open
//dev->d_ops->write = ntfs_device_unix_io_write
dev->d_ops = dops;
dev->d_private = priv_data;
}
...
vol = ntfs_device_mount(dev, flags);
==> vol = ntfs_volume_startup(dev, flags);
{
if ((dev->d_ops->open)(dev, ...))
//为什么会call 到这呢，请看前面的伏笔(1)！！！
==> ntfs_device_unix_io_open(struct ntfs_device *dev, int flags)
//注意了！注意了！open块设备了啊！
//例如，dev->d_name = "/dev/block/sda1"
==> *(int*)dev->d_private = open(dev->d_name, flags);
//埋下伏笔(7)！！！
//注册了设备文件操作函数
vol->dev = dev;
}
}
...
}
从上述代码中可以看到，块设备确实被打开了。
ntfs-3g.c
main——打开fuse设备
{
//前面已经open了块设备
...
fh = mount_fuse(parsed_options);
{
ctx->fc = try_fuse_mount(parsed_options);
==> fc = fuse_mount(opts.mnt_point, &margs);
{
fd = fuse_kern_mount(mountpoint, args);
==> res = fusermount(0, 0, 0, mnt_opts ? mnt_opts : "", mountpoint);
==> res = mount_fuse(mnt, opts);
==> fd = open_fuse_device(&dev);
==> fd = try_open(FUSE_DEV_NEW, devp);
//注意了！注意了！open fuse设备了啊！
//例如，dev = "/dev/fuse"
==> fd = open(dev, O_RDWR);
...
==> ch = fuse_kern_chan_new(fd);
{
struct fuse_chan_ops op = {
//埋下伏笔(2.0)！！！
//注册了设备文件操作函数
//op.receive = fuse_kern_chan_receive
//op.send = fuse_kern_chan_send
.receive = fuse_kern_chan_receive,
.send = fuse_kern_chan_send,
...
};
...
return fuse_chan_new(&op, fd, bufsize, NULL);
==> return fuse_chan_new_common(op, fd, bufsize, data);
{
//埋下伏笔(2.1)！！！
//伏笔(2.0)的op给了ch
//ch->op->receive = fuse_kern_chan_receive
//ch->op->send = fuse_kern_chan_send
ch->op = *op;
//埋下伏笔(3)！！！
//打开fuse设备的fd给了ch
ch->fd = fd;
}
}
}
//埋下伏笔(4.0)！！！
//ntfs_3g_ops.write = ntfs_fuse_write
fh = fuse_new(ctx->fc, &args , &ntfs_3g_ops, sizeof(ntfs_3g_ops), NULL);
//埋下伏笔(5.0)！！！
//llop = fuse_path_ops
//fuse_path_ops.write = fuse_lib_write
==> f->se = fuse_lowlevel_new(args, &llop, sizeof(llop), f);
{
struct fuse_session_ops sop = {
//埋下伏笔(6.0)！！！
//sop.process = fuse_ll_process
.process = fuse_ll_process,
...
};
...
//埋下伏笔(4.1)！！！
//f->fs->op = ntfs_3g_ops
//f->fs->op.write = ntfs_fuse_write
fs = fuse_fs_new(op, op_size, user_data);
==> memcpy(&fs->op, op, op_size);
f->fs = fs;
...
//埋下伏笔(5.1)！！！
//op = llop = fuse_path_ops
//f->op->write = fuse_lib_write
memcpy(&f->op, op, op_size);
...
se = fuse_session_new(&sop, f);
{
//埋下伏笔(6.1)！！！
//sop给了se
se->op = *op;
se->data = data;
}
}
}
...
}
从上述代码中可以看到，fuse混杂设备确实被打开了。
ntfs-3g.c
main——处理kernel FUSE请求
{
//前面已经open了块设备和fuse设备
...
fuse_loop(fh);
==> return fuse_session_loop(f->se);
{
//这个循环中不停地响应着kernel FUSE的请求
while (!fuse_session_exited(se)) {
struct fuse_chan *tmpch = ch;
res = fuse_chan_recv(&tmpch, buf, bufsize);
==> return ch->op.receive(chp, buf, size);
//为啥call到这？请看伏笔(2.x)
==> fuse_kern_chan_receive
{
//fuse_chan_fd(ch)是什么？请看伏笔(3)
res = read(fuse_chan_fd(ch), buf, size);
}
...
fuse_session_process(se, buf, res, tmpch);
==> se->op.process(se->data, buf, len, ch);
//为啥call到这？请看伏笔(6.x)
==> fuse_ll_process
/**********
static struct {
void (*func)(fuse_req_t, fuse_ino_t, const void *);
const char *name;
} fuse_ll_ops[] = {
...
[FUSE_WRITE] = { do_write, "WRITE" },
...
};
***********/
//假设我们在进行写(FUSE_WRITE)操作
==> fuse_ll_ops[in->opcode].func(req, in->nodeid, inarg);
==> do_write
==> req->f->op.write(req, nodeid, PARAM(arg), arg->size, arg->offset, &fi);
//为啥call到这？请看伏笔(5.x)
==> fuse_lib_write
{
...
res = fuse_fs_write(f->fs, path, buf, size, off, fi);
==> return fs->op.write(path, buf, size, off, fi);
//为啥call到这？请看伏笔(4.x)
==> ntfs_fuse_write
==> s64 ret = ntfs_attr_pwrite(na, offset, size, buf + total);
//vol->dev是什么？请看伏笔(7)
==> written = ntfs_pwrite(vol->dev, ...);
==> written = dops->pwrite(dev, ...);
//为啥call到这？请看伏笔(1)
==> ntfs_device_unix_io_pwrite
//注意了！注意了！对块设备文件pwrite了啊！
//DEV_FD(dev)是什么？请看前面打开块设备的地方
==> return pwrite(DEV_FD(dev), buf, count, offset);
...
fuse_reply_write(req, res);
==> return send_reply_ok(req, &arg, sizeof(arg));
==> return send_reply(req, 0, arg, argsize);
==> return send_reply_iov(req, error, iov, count);
==> res = fuse_chan_send(req->ch, iov, count);
==> return ch->op.send(ch, iov, count);
==> fuse_kern_chan_send
//注意了！注意了！对fuse设备文件writev了啊！
//虽然和write不同，但也是向fuse设备文件的fd写东西
//fuse_chan_fd(ch)是什么？请看伏笔(3)
==> ssize_t res = writev(fuse_chan_fd(ch), iov, count);
...
}
}
}
//收尾工作
...
}
光练不说傻把式，还得说一下。
从上述代码中可以看到，“写”的用户请求是用ntfs_fuse_write函数处理的，struct fuse_operations ntfs_3g_ops就是开发者要实现的文件系统核心逻辑，这些文件操作在打开fuse设备过程(mount_fuse函数)中被绑定到那些核心数据结构中。在最后处理文件系统请求时调用，最终以直接访问块设备的方式实现了“处理”。然后，以写入fuse设备文件的方式将“处理”结果发给kernel FUSE。
Android与FUSE
Android代码到哪看
谈到Android，由于众所周知的原因，首先要说怎么在中国大陆访问它的代码，这事靠百度可以解决，如果只是看看，用这些网站在线看就好了。
Android代码浏览网站1
Android代码浏览网站2
Android 8.0的FUSE
Android里面用的并不是NTFS-3G所使用的libfuse，因为我接触到的是AN8(Android 8.0)的代码，所以就基于它来再次领略一下FUSE文件系统的实现。代码在AN8/system/core/sdcard，下面有3个代码文件
AN8/system/core/sdcard
├── Android.mk
├── fuse.cpp
├── fuse.h
└── sdcard.cpp // main函数在这里！！！
sdcard.cpp是对SD卡文件系统处理的代码。谷歌搞了个sdcardfs文件系统，当系统支持sdcardfs，并且用户要求使用时，就会优先用这个文件系统挂载SD卡，否则就用FUSE挂载。也就是说，对于AN8来说，FUSE是sdcardfs的备胎，下面代码反映了这绿油油的事实。
int main(int argc, char **argv) {
//各种准备工作
...
if (should_use_sdcardfs()) {
//如果应该用sdcardfs，就运行sdcardfs
run_sdcardfs(...);
} else {
//否则，就运行FUSE
run(...);
}
return 1;
}
下面创建了3个start_handler的线程，看得出来它们之间有些区别。为什么是这3个？我也不知道，那就是AN8的实现问题了，不是本文重点。
static void run(...) {
//准备工作
...
//埋下伏笔(1)
//这些dest_path后面会用到
snprintf(fuse_default.dest_path, PATH_MAX, "/mnt/runtime/default/%s", label);
snprintf(fuse_read.dest_path, PATH_MAX, "/mnt/runtime/read/%s", label);
snprintf(fuse_write.dest_path, PATH_MAX, "/mnt/runtime/write/%s", label);
handler_default.fuse = &fuse_default;
handler_read.fuse = &fuse_read;
handler_write.fuse = &fuse_write;
...
if (fuse_setup(&fuse_default, AID_SDCARD_RW, 0006)
|| fuse_setup(&fuse_read, AID_EVERYBODY, ...)
|| fuse_setup(&fuse_write, AID_EVERYBODY, full_write ? 0007 : 0027))
==> fuse_setup
{
//注意了！注意了！打开fuse设备文件了啊！
//埋下伏笔(2)
//注意这个fd，后面会用到
fuse->fd = TEMP_FAILURE_RETRY(open("/dev/fuse", O_RDWR | O_CLOEXEC));
//欲知fuse->dest_path是什么，请看伏笔(1)
mount("/dev/fuse", fuse->dest_path,...)
}
...
if (pthread_create(&thread_default, NULL, start_handler, &handler_default)
|| pthread_create(&thread_read, NULL, start_handler, &handler_read)
|| pthread_create(&thread_write, NULL, start_handler, &handler_write)) {
LOG(FATAL) << "failed to pthread_create";
}
// 一些不会退出的loop
...
}
在上面代码中，打开了fuse设备文件，同时创建了3个FUSE用户线程来处理kernel FUSE的请求。
start_handler ==> handle_fuse_requests
{
for (;;) {
//欲知fuse->fd是什么，请看伏笔(2)
read(fuse->fd,...);
...
//埋下伏笔(3)
//data是kernel FUSE发来的请求
int res = handle_fuse_request(fuse, handler, hdr, data, data_len);
//以一个顺利的写请求为例
==> return handle_write(fuse, handler, hdr, req, buffer);
{
struct handle *h = static_cast(id_to_ptr(req->fh));
...
//注意了！注意了！写块设备文件了啊！
//欲知h->fd是什么，它源自伏笔(3)提到的data，所以它来自kernel FUSE
//它是怎么来的呢？此处设下一个悬念(1)
res = TEMP_FAILURE_RETRY(pwrite64(h->fd, buffer, req->size, req->offset));
...
fuse_reply(fuse, hdr->unique, &out, sizeof(out));
//注意了！注意了！写fuse设备文件了啊！
//欲知fuse->fd是什么，请看伏笔(2)
==> ssize_t ret = TEMP_FAILURE_RETRY(writev(fuse->fd, vec, 2));
...
}
...
}
}
在上面代码中，读取了kernel FUSE的请求，然后处理，即写入了块设备文件，最后发回结果给kernel FUSE。
这段代码中有一个悬念，后文会揭露。
Kernel FUSE
代码在哪
- Kernel代码
Kernel官网、Github镜像 - FUSE路径
Kernel fuse代码在linux/fs/fuse目录
代码导读
我对这里没有多少研究，怕误人子弟，所以不展开了，仅仅围绕前面代码中的悬念(1)进行说明。前面的悬念(1)在于那个来自kernel FUSE的fd是在哪里赋值的。下面先从读fuse设备文件说起，因为这里就是获取kernel FUSE请求的现场。
读写fuse设备文件
前面的FUSE文件系统实现中，它们与kernel FUSE沟通都是通过读写fuse设备文件实现的，而这个设备文件的读写操作就定义在struct file_operations fuse_dev_operations中。
//dev.c
const struct file_operations fuse_dev_operations = {
...
.read_iter = fuse_dev_read,
.splice_read = fuse_dev_splice_read,
.write_iter = fuse_dev_write,
.splice_write = fuse_dev_splice_write,
...
};
我看了半天才想到，上面这部分代码对我们揭开悬念没有帮助，因为这里只是把请求从某处读出来给用户层而已，所以它并不生产请求，只是请求的搬运工。回顾一下原理，直接给kernel FUSE创建请求的是VFS，所以应该从对接VFS的那部分kernel FUSE的代码寻找线索。另外一个重要线索就是在AN8的代码中，处理写请求时用到了struct fuse_write_in这个结构体，悬念处的fd值就是源于fuse_write_in.fh，关键是它定义在kernel的头文件里哟，你懂的。
神秘的fh
在kernel里搜struct fuse_write_in就很容易发现，fuse_write_in.fh的赋值在fuse_write_fill里面。下面的代码描述的是每个FUSE文件系统中的文件的“写”过程，从这个过程中可以观察到，这个fh就在file->private_data中，file->private_data的实际类型是struct fuse_file*。
static const struct file_operations fuse_file_operations = {
...
.write_iter = fuse_file_write_iter,
==> written_buffered = fuse_perform_write(file, mapping, from, pos);
==> num_written = fuse_send_write_pages(...);
==> res = fuse_send_write(req, &io, pos, count, NULL);
{
struct fuse_file *ff = file->private_data;
...
fuse_write_fill(req, ff, pos, count);
{
struct fuse_write_in *inarg = &req->misc.write.in;
...
//inarg->fh = file->private_data->fh
inarg->fh = ff->fh;
}
}
...
};
void fuse_init_file_inode(struct inode *inode)
{
inode->i_fop = &fuse_file_operations;
inode->i_data.a_ops = &fuse_file_aops;
}
神秘的private_data——一切还在用户层
暮然回首，那fd还在用户层，请看代码(AN8中)。
static int handle_open(struct fuse* fuse, struct fuse_handler* handler,
const struct fuse_in_header* hdr, const struct fuse_open_in* req)
{
...
node = lookup_node_and_path_by_id_locked(fuse, hdr->nodeid, path, sizeof(path));
...
//注意了！注意了！打开块设备文件了啊！
//悬念(1)被揭露了
h->fd = TEMP_FAILURE_RETRY(open(path, req->flags));
out.fh = ptr_to_id(h);
fuse_reply(fuse, hdr->unique, &out, sizeof(out));
...
}
上面这段代码是AN8的FUSE实现打开文件的函数，这就是AN8 FUSE打开块设备文件的现场了。为什么是open呢？此处与kernel中的file->private_data有什么关系呢？请看下面代码。
int fuse_do_open(struct fuse_conn *fc, u64 nodeid, struct file *file,
bool isdir)
{
...
//这里就通向了用户层的open，用户层那个fh就通过outarg传了回来
err = fuse_send_open(fc, nodeid, file, opcode, &outarg);
ff->fh = outarg.fh;
ff->open_flags = outarg.open_flags;
...
//file->private_data->fh = outarg.fh
//outarg就是悬念(1)被揭露现场的那个out
file->private_data = fuse_file_get(ff);
==> return ff;
...
}
与NTFS-3G相比，AN8利用每个文件的struct file.private_data来传递块设备文件的fd，并在open文件的时候打开块设备。
参考资料
FUSE WIKI
FUSE简介（译）
FUSE简介