基于FUSE框架的文件系统-课程设计

一、选题背景

FUSE（用户空间文件系统）是这样一个框架：它使得FUSE用户在用户态下编写文件系统成为可能，而不必和内核打交道。
FUSE由三个部分组成：linux内核模块、FUSE库 以及mount 工具。用户关心的只是FUSE库和mount工具，内核模块仅仅提供kernel的接入口，给了文件系统一个框架，而文件系统本身的主要实现代示位于用户空间中。FUSE库给用户提供了编程的接口，而mount工具则用于挂在用户编写的文件系统。
FUSE起初是为了研究AVFS(A Virtual Filesystem)而设计的，而现在已经成为 SourceForge的一个独立项目，目前适用的平台有Linux, FreeBSD, NetBSD, OpenSolaris和 Mac OS X。
官方的linux kernel版本到 2.6.14 才添加了FUSE模块，因此 2.4 的内核模块下，用户如果要在FUSE中创建一个文件系统，需要先安装一个FUSE内核模块，然后使用 FUSE库和API来创建。
解决的问题是，通过fuse提供的接口，创建一个u_fs 文件系统。

二、方案论证(设计理念)

安装fuse 2.7.0文件系统框架。FUSE使用fuse_operations来给用户提供编程结构，让用户通过注册自己编写的函数到该结构体来实现自己的文件系统。模块化开发，简化了编码。
完成的功能有：
以某文件作为我们磁盘，组织磁盘的文件管理，其中包括Super block、Bitmap block、Data block。采用位图方式记录磁盘块使用情况。
其结构如下

Super block
（1 block）
Bitmap block
(1280 blocks)
Data block
(all the rest blocks)

需要实现接口函数:

getattr
readdir
mkdir
rmdir
mknod
write
read
unlink
open
flush
truncate

编写Makefile文件，简化编译步骤。
运行环境：Linux系统（Ubuntu14.04）、eclipse、fuse2.7.0

三、过程论述

在Linux系统中安装fuse 2.7.0文件系统框架。

进入fuse 2.7.0文件夹，输入如下命令即可：
./configure --disable-kernel-module
make
make install

创建一个二进制文件作为磁盘

此处用某5M的文件，重命名为newdisk，作为该文件系统的磁盘。

初始化磁盘：

由于文件原先有内容，故先将其内容全清空，以防止干扰文件系统运行。
根据Super block、Bitmap block、Data block的结构，进行初始化磁盘。
其中一个block的结构为:
struct u_fs_disk_block { // 512 bytes
int size; //how many bytes are bveing used in this block
//The next idsk block,if needed This is the next pointer in the linked allocation list
long nNextBlock;
//And all the rest of the space in the block can be used for actual data sotorage.
char data[MAX_DATA_IN_BLOCK];
};
Super block： 结构如下
struct super_block { //24 bytes
long fs_size; //sizes of file system, in blocks
long first_blk; //first block of root directory
long bitmap; //size of bitmap,in blocks
};

首先获取磁盘大小，从而赋值fs_size，由于super block占1 block，bitmap block 占1280 blocks，故赋值first_blk、bitmap分别为1281、1280.
将该结构写入磁盘，即super block初始化完毕。

Bitmap block:
此处记录整个磁盘的占用情况。由于super block、bitmap block均已占用，且data block中为root directory预定了一个block，故bitmap需要将这1+1280+1个block置1(即已占用)，此处bitmap采用的是位图记录算法，故需将bitmap block中的前1282个bit置为1，其余置为0。即可初始化bitmap block完成。

Data block:
  此处存放文件或者文件夹的属性以及内容。文件/文件夹的结构如下:
struct u_fs_file_directory { //64 bytes
char fname[MAX_FILENAME + 1]; //filename(plus space for nul)
char fext[MAX_EXTENSION + 1]; //extension(plus space for nul)
long fsize;                 //file size
long nStartBlock;           //where the first block is on disk
int flag;  //indicate type of file. 0:for unused.1:for file. 2:for directory
};
在data block的第一个block中需要初始化root directory的属性信息。开始root directory没有子文件，故size=0，nNextblock=-1 data为空。写入相应磁盘位置，即可完成data block的初始化。

各接口的功能实现：

getattr：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_getattr(const char *path, struct stat *stbuf);
其操作是通过路径path，找到所处文件的属性赋值给stbuf。
具体实现步骤：

**一、获取path父目录的属性(存放于u_fs_file_directory中)：**
1. 通过path获取父目录的路径。
2. 读取super block，从而找到data block的起始位置（或直接定位为第1282 block处）。
3. 读取root directory所处块（即第1282块）的内容(存放于u_fs_disk_block 结构中)。该block中存放的都是u_fs_file_direcotry。依次读取该block的文件属性，通过文件的属性判断文件夹名称等于父目录的名称。如果确定为该父目录，则获取父目录的属性。

**二、 通过父目录属性，获取path对应的文件属性：**
1. 通过父目录属性，获取父目录的存放子文件属性的第一块block的位置。
2. 读取上述的block内容，循环赋值u_fs_file_direcotry，查看其文件名是否为path所指文件名。如果不是，则继续查找block的后续块。
3. 如果找到path，则赋值文件属性u_fs_file_direcotry。

**三、根据path对应文件的类型，进行stat的赋值（如权限、文件大小等），并返回给fuse框架。**

readdir：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_readdir(const char*path, void *buf, fuse_fill_dir_t filler, off_t offset, struct fuse_file_info*fi)
其操作是通过路径path，找到其全部子文件/子文件夹，将其名称通过filler函数填充进buf中。

具体实现步骤：
1. 获取path获取该文件夹的属性(操作类似getattr函数)
2. 每一个文件夹都有. 和 .. 子文件夹，将其添入buf
3. 通过path文件夹的属性，获取子文件/文件夹的存放位置
4. 循环赋值，获取子文件/文件夹的属性，并将其名称通过filler函数添加进buf中
5. 如果path的子文件/文件夹属性存放大小不止一块，则循环获取后续块，执行步骤3，直到u_fs_disk_block-> nStartBlock为-1

mkdir：

 实现的函数声明如下：
static int ufs_mkdir(const char *path, mode_t mode);
其操作是通过路径path，增加新的文件夹：

具体实现操作：
1. 通过path，找到其父目录名称
2. 通过父目录名称，找到父目录的属性
3. 通过父目录的属性，找到父目录的子文件/文件夹的存放块的其实位置。
4. 在存放块中，顺序查找空闲位置，以添入path新文件属性
5. 如果当前块已满。则继续赋值后续块，继续执行步骤4，如果没有后续块，则寻找一块新的block（空闲块）作为后续块，写入path新文件的属性。
6. 修改父目录的属性信息（如子文件/文件夹大小），并写回磁盘。

寻找n块连续空闲块步骤：
1. 读入bitmap_block块，从其1282bit开始向后查找（因为磁盘的前1282块都已经占用了）
2. 寻找连续n个bit都是0的位置，并保存查找到的最大连续空闲块max_num。
3. 如果max_num等于n，则查找成功并返回。否则继续查找。
4. 如果有后续块，则继续赋值查找，执行b步骤，如果没有后续块，且尚未找到n块连续块，则返回找到的最大空闲块max_num

rmdir：

 实现的函数声明如下：
static int ufs_rmdir(const char *path)；
其操作是将path路径对应的空文件夹删除

具体实现步骤：
1. 获取path获取该文件夹父文件夹的属性
2. 获取path的文件夹的属性
3. 通过文件夹属性，判断是否为空文件夹。如果非空则返回错误
4. 初始化该path文件夹存放子文件夹/文件的磁盘块block。并将其释放（即在bitmap_block中相应位修改成0）。
5. 初始化path文件夹属性的存放位置（如果清空该位置后可空出一个磁盘块，则回收磁盘块。
6. 修改父文件夹的相应属性信息并写回磁盘。

mknod：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_mknod(const char *path, mode_t mode, dev_t rdev)；

具体实现步骤：
1. 与mkdir函数类似，只是u_fs_file_directory->flag应该为1（表示文件）
2. 创建好文件后需要寻找新的磁盘块，用来存放该文件内容(与mkdir类似，只是mkdir中新的磁盘块是用来存放子文件/文件夹属性)

write：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_write(const char *path, const char *buf, size_t size,
       off_t offset, struct fuse_file_info *fi);
其操作是将buf里大小为size的内容，从path指定文件的内容的起始块后的第offset字节写入。

具体实现步骤：
1. 获取path对应文件的属性
2. 通过offset得知需要跳过文件内容的m个block后开始写
3. 顺序查找文件内容的第m块磁盘，通过size得知一共需要写多少块磁盘
4. 若第m块磁盘不够写，则继续将剩余buf内容写入后续块。如果全部后续块也不够写，则按剩余内容申请相应的空闲块，继续写（如果申请空闲块不够，则继续申请，直至写完buf内容或写满磁盘为止）
5. 修改path对应文件的属性并写回磁盘。

read：

 实现的函数声明如下：
static int ufs_read(const char *path, char *buf, size_t size, off_t offset,struct fuse_file_info *fi)

具体实现步骤：
1. 通过path找到文件属性。
2. 通过文件属性找到文件内容的起始磁盘块。
3. 按offset得出跳过磁盘块的数目，并获取最终需要写的磁盘块位置。
4. 从指定磁盘开始读取size内容并赋值给buf（如果跨磁盘块，则继续读后续磁盘块，直至读完size长度，或读完整个文件）

unlink：

 实现的函数声明如下：
static int ufs_unlink(const char *path)；
其操作是是将path对应的文件删除。

具体实现步骤：
1. 获取path获取该文件夹父文件夹的属性
2. 获取path的文件的属性
3. 遍历path文件内容的磁盘块，将磁盘块都初始化，并释放。
4. 初始化path文件属性的存放位置（如果清空该位置后可空出磁盘块，则回收该磁盘块）
5. 修改父文件夹的相应属性信息并写回磁盘。

open：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_open(const char*path, struct fuse_file_info *fi);
此处不用实现其操作，将其返回让fuse操作即可。

flush：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_flush(const char*path, struct fuse_file_info *fi)
此处不用实现其操作，将其返回让fuse操作即可。

truncate：

    实现的函数声明如下：
static int ufs_truncate(const char *path, off_t size);
此处不用实现其操作，将其返回让fuse操作即可。

编写makefile

    略。
    大家各回各家，各找各妈。（去搜索下如何编写makefile吧）

三、结果分析

挂载文件系统：
先准备好一个5M文件，命名为~/code/homework/newdisk
查看当前文件：

编译文件 make

此处可能有warning，可忽略。

初始化磁盘（5M磁盘）
直接运行init_sb_bitmap_data_blocks程序

创建新文件夹（创建挂载点），并挂载文件系统：

由于开启调试模式，故另开终端进行测试：
测试内容有

执行命令                                          调用的接口
echo "hello world " > file                       mknod  、write
cat file                                         open、read
mkdir dir                                        mkdir
ls -al                                           readdir、getattr
unlink file                                      unlink
rmdir dir                                        rmdir
fusermount –u /tmp/fuse                          卸载挂载点

重新挂载文件系统到另外一个文件夹（/tmp/fuse_tmp）中，发现文件依旧在。即文件系统可用。

四、课程设计总结

这次课程设计采用fuse文件系统框架，并在Linux系统中进行编码调试，难度比以前课程设计的要大。
为了研究fuse的代码的实现方式，在网上查找相应资料，且调出fuse源代码研究其原理。通过example文件夹中的几个例子，一点点修改各个功能。期间询问了师兄关于某些功能的代码编写，也仿写了其他一些接口代码，经过两个星期的努力，终于做出了该文件系统。
整个课程设计过程中，收获最大的就是Linux的文件系统实现代码流程，以及C语言的编码框架及结构。此文件系统采用位图方式记录磁盘块占用情况，在查询空闲磁盘块中，采用了最先符合方式进行分配磁盘，其中可以进一步优化：如采用最差匹配、最优匹配磁盘等方式，或修改磁盘块的大小以来减少碎片等等。
在整个功能设计中，代码尚存冗余，在调用某些功能函数时候，存在部分调用做了些无谓的工作，从而使整个运行速度有所减缓。再次，此文件系统没有碎片管理、整合功能，在多次创建修改文件/文件夹后将会导致该文件系统操作缓慢。
此次课程设计，我还加深了Linux中编译操作、Makefile文件的编写，在Linux系统中进行开发其他C/C++项目或测试时，感觉异常舒服及流畅。

五、参考文献

[1]Andrew S.Tanenbaum（著），陈向群，马洪兵（译） 现代操作系统（原书第三版） [M]. 北京：机械工业出版社.2009.7
[2] 鸟哥 著；王世江 改编 Linux私房菜［M］．北京：人民邮电出版社． 2014.6
[3] W. Richard Stevens，Stephen A. Rago 著；戚正伟，张亚英，尤晋元 译 Unix环境高级编程 ［M］．北京：人民邮电出版社． 2014.6
[4] 侯捷 著；STL 源码剖析 ［M］．北京：华中科技大学出版社． 2007.6
[5] UC技术博客 FUSE源码剖析［EB/0L］
http://tech.uc.cn/?p=1597
[6] FUSE(Filesystem in Userspace)简介和使用［EB/0L］
http://blog.csdn.net/jiangandhe/article/details/5739391

GitHub代码

https://github.com/luonango/linux_fuse_fs

ps：对师弟师妹的话：
好好看代码，不要只复制粘贴（百害而无一益）