【操作系统百科】FUSE

在用户态实现文件系统——SSHFS、GlusterFS、CephFS FUSE client、rclone mount 都用 FUSE。代价是每次 I/O 多两次上下文切换。如何逼近内核文件系统性能？

一、先看图

sequenceDiagram
    participant App as 用户进程
    participant VFS as VFS
    participant FUSE_K as FUSE 内核模块
    participant FUSE_D as FUSE daemon<br/>（用户态 FS）

    App->>VFS: read("/mnt/fuse/file")
    VFS->>FUSE_K: fuse_file_read_iter()
    FUSE_K->>FUSE_D: /dev/fuse → FUSE_READ 请求
    FUSE_D->>FUSE_D: 处理（网络/本地）
    FUSE_D->>FUSE_K: /dev/fuse → 写回数据
    FUSE_K->>VFS: 返回数据
    VFS->>App: read() 完成

二、FUSE 架构

2.1 三部分

• FUSE 内核模块（fs/fuse/）：注册 VFS 操作，转发请求到 /dev/fuse
• /dev/fuse：用户态 daemon 通过 read/write 与内核交互
• FUSE daemon：用户态进程，实现文件系统逻辑（libfuse 辅助）

2.2 协议

FUSE 请求/响应是结构化消息：

struct fuse_in_header {
    uint32_t len;
    uint32_t opcode;   // FUSE_READ, FUSE_WRITE, FUSE_LOOKUP...
    uint64_t unique;   // 请求 ID
    uint64_t nodeid;   // inode 编号
    uint32_t uid, gid, pid;
};

大约 50 种 opcode 覆盖所有 VFS 操作。

三、性能瓶颈

每次 I/O：

1. 用户进程 → 内核（syscall）
2. 内核 → FUSE daemon（context switch + copy）
3. FUSE daemon 处理
4. FUSE daemon → 内核（write /dev/fuse）
5. 内核 → 用户进程

两次额外上下文切换 + 两次数据拷贝。

3.1 benchmark 数据

典型场景（4KB 随机读）：

• ext4：~150K IOPS
• FUSE passthrough（理想）：~90K IOPS
• 普通 FUSE：~30-50K IOPS

吞吐下降 30%-70%。

四、优化手段

4.1 writeback cache

mount.fuse3 myfs /mnt -o writeback_cache

启用页缓存的 writeback 模式 → 小写合并 → 减少到 daemon 的请求次数。

4.2 splice

FUSE 支持 splice 零拷贝传输：daemon 通过 splice 直接在 pipe buffer 和 /dev/fuse 之间移动数据。

4.3 multi-threaded daemon

libfuse 支持多线程处理请求。单线程 daemon 是性能反模式。

4.4 readahead

内核 FUSE 模块支持 readahead（max_readahead）→ 预读合并请求。

五、FUSE passthrough（6.9+）

FUSE_PASSTHROUGH：daemon 告诉内核”这个文件直接 I/O 到底层 fd”→ 后续读写完全在内核完成，不经过 daemon。

// daemon 在 FUSE_OPEN 响应里
out->passthrough.fd = backing_fd;
out->open_flags |= FOPEN_PASSTHROUGH;

效果：接近原生文件系统性能。元数据操作还走 daemon，但数据路径完全旁路。

用例：Android FUSE（用户态控制权限，数据走 passthrough）。

六、virtio-fs

虚拟机场景：guest 访问 host 文件。传统 9p → 性能差。

virtio-fs = FUSE 协议 + virtio 传输 + DAX（直接映射 host 页缓存到 guest）。

flowchart LR
    GUEST[Guest<br/>FUSE 内核模块] -->|virtio| VMM[virtiofsd<br/>Host daemon]
    VMM --> HOST_FS[Host 文件系统]
    GUEST -.->|DAX window| HOST_FS
    classDef guest fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef host fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class GUEST guest
    class VMM,HOST_FS host

DAX 模式：guest 直接 mmap host 页 → 零拷贝 + 共享页缓存。

七、io_uring FUSE（实验性）

传统 FUSE 数据路径：read/write /dev/fuse → syscall 开销。

io_uring FUSE（LSFMM 2023 讨论）：把 FUSE 请求/响应放到 SQ/CQ ring → 减少 syscall 和上下文切换。尚未合入主线。

八、常见 FUSE 文件系统

九、开发 FUSE 文件系统

// libfuse3 最小示例
static int myfs_getattr(const char *path, struct stat *stbuf,
                        struct fuse_file_info *fi) {
    if (strcmp(path, "/") == 0) {
        stbuf->st_mode = S_IFDIR | 0755;
        stbuf->st_nlink = 2;
        return 0;
    }
    return -ENOENT;
}

static const struct fuse_operations myfs_ops = {
    .getattr = myfs_getattr,
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    return fuse_main(argc, argv, &myfs_ops, NULL);
}

Go: bazil.org/fuse、Rust: fuser。

十、小结

• FUSE 把文件系统实现搬到用户态：开发灵活、安全隔离
• 代价是两次额外上下文切换 + 数据拷贝
• FUSE_PASSTHROUGH（6.9+）旁路数据路径 → 接近原生性能
• virtio-fs 用 FUSE + virtio + DAX 解决虚拟机文件共享
• io_uring FUSE 进一步减少 syscall → 未来方向

参考文献

• Documentation/filesystems/fuse.rst
• Miklos Szeredi, “FUSE: Filesystem in Userspace.”
• Vivek Goyal, “virtio-fs: shared file system for virtual machines.” KVM Forum 2019
• fs/fuse/passthrough.c（6.9+）
• LSFMM 2023, “io_uring for FUSE.”

工具

• fusermount3 -u /mnt（卸载）
• ltrace -e fuse_*（跟踪 libfuse 调用）
• /sys/fs/fuse/connections/（查看连接状态）

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