Логическая структура файловой системы и типы файлов в LINUX

Мы не будем давать здесь определение файла, полагая, что интуитивное представление о файлах у вас имеется, а в лекциях было введено понятие о файлах, как об именованных абстрактных объектах, обладающих определенными свойствами. При этом в пространстве имен файлов одному файлу могут соответствовать несколько имен.

Файлы могут объединяться в директории, и файлы и директории организованы в древовидную структуру. На нынешнем уровне знаний мы можем сформулировать это более аккуратно. В операционной системе LINUX существуют файлы нескольких типов, а именно:

• обычные или регулярные файлы;
• директории или каталоги;
• файлы типа FIFO или именованные pip'ы;
• специальные файлы устройств;
• сокеты (sockets);
• специальные файлы связи (link).

Что такое регулярные файлы и директории, вам должно быть хорошо известно из личного опыта и из лекций. О способах их отображения в дисковое пространство речь пойдет чуть позже. Файлы типа FIFO были представлены в лабораторной работе 4, когда рассматривалась работа с именованными pip'ами (раздел "Понятие FIFO. Использование системного вызова mknod() для создания FIFO. Функция mkfifo()"). Файлы типа "связь" мы представим здесь, когда будем обсуждать операции над файлами (раздел "Операции над файлами и директориями ") и соответствующие им системные вызовы (раздел "Системные вызовы и команды для выполнения операций над файлами и директориями "). О специальных файлах устройств будет рассказано в материалах, посвященных реализации в LINUX подсистемы ввода-вывода и передаче информации с помощью сигналов. Файлы типа "сокет" касаются вопросов сетевого программирования в LINUX и здесь не рассматриваются.

Файлы всех перечисленных типов логически объединены в ациклический граф с однонаправленными ребрами, получающийся из дерева в результате сращивания нескольких терминальных узлов дерева или нескольких его нетерминальных узлов таким образом, чтобы полученный граф не содержал циклов. В нетерминальных узлах такого ациклического графа (т.е. в узлах, из которых выходят ребра) могут располагаться только файлы типов " директория " и "связь". Причем из узла, в котором располагается файл типа "связь", может выходить только ровно одно ребро. В терминальных узлах этого ациклического графа (т.е. в узлах, из которых не выходит ребер) могут располагаться файлы любых типов (см. рисунок 5.1), хотя присутствие в терминальном узле файла типа "связь" обычно говорит о некотором нарушении целостности файловой системы.

Рис. 5.1. Пример графа файловой системы

В отличие от древовидной структуры набора файлов, где имена файлов связывались с узлами дерева, в таком ациклическом графе имя файла связывается не с узлом, соответствующим файлу, а с входящим в него ребром. Ребра, выходящие из узлов, соответствующих файлам типа "связь", являются неименованными. Надо отметить, что практически во всех существующих реализациях LINUX-подобных систем в узел графа, соответствующий файлу типа " директория ", не может входить более одного именованного ребра, хотя стандарт на операционную систему LINUX и не запрещает этого. В качестве полного имени файла может использоваться любое имя, получающееся при прохождении по ребрам от корневого узла графа (т.е. узла, в который не входит ни одно ребро) до узла, соответствующего этому файлу, по любому пути с помощью следующего алгоритма:

1. Если интересующему нас файлу соответствует корневой узел, то файл имеет имя " / ".
2. Берем первое именованное ребро в пути и записываем его имя, которому предваряем символ " / ".
3. Для каждого очередного именованного ребра в пути приписываем к уже получившейся строке справа символ " / " и имя соответствующего ребра.

Организация файла на диске в LINUX на примере файловой системы ext2fs. Понятие индексного узла (inode)

Рассмотрим, как организуется на физическом носителе любой файл в LINUX на примере простой файловой системы, впервые появившейся в вариантах операционной системы Red Hat и носящей название ext2fs.

Все дисковое пространство раздела в файловой системе ext2fs логически разделяется на две части: заголовок раздела и логические блоки данных. Заголовок раздела содержит служебную информацию, необходимую для работы файловой системы, и обычно располагается в самом начале раздела. Логические блоки хранят собственно содержательную информацию файлов и часть информации о размещении файлов на диске (т.е. какие логические блоки и в каком порядке содержат информацию, записанную в файл).

Для размещения любого файла на диске используется метод индексных узлов (inode – от index node), о котором подробно рассказывается в лекциях (раздел "Методы выделения дискового пространства"), и на котором здесь мы останавливаться не будем. Индексный узел содержит атрибуты файла и оставшуюся часть информации о его размещении на диске. Необходимо, однако, отметить, что такие типы файлов, как "связь", "сокет", "устройство", "FIFO" не занимают на диске никакого иного места, кроме индексного узла (им не выделяется логических блоков). Все необходимое для работы с этими типами файлов содержится в их атрибутах.

Перечислим часть атрибутов файлов, хранящихся в индексном узле и свойственных большинству типов файлов. К таким атрибутам относятся:

• Тип файла и права различных категорий пользователей для доступа к нему.
• Идентификаторы владельца-пользователя и владельца-группы.
• Размер файла в байтах (только для регулярных файлов, директорий и файлов типа "связь").
• Время последнего доступа к файлу.
• Время последней модификации файла.
• Время последней модификации самого индексного узла.

Существует еще один атрибут, о котором мы поговорим позже, когда мы будем рассматривать операцию связывания файлов в разделе "Системные вызовы и команды для выполнения операций над файлами и директориями". Количество индексных узлов в разделе является постоянной величиной, определяемой на этапе генерации файловой системы. Все индексные узлы системы организованы в виде массива, хранящегося в заголовке раздела. Каждому файлу соответствует только один элемент этого массива и, наоборот, каждому непустому элементу этого массива соответствует только один файл. Таким образом, каждый файл на диске может быть однозначно идентифицирован номером своего индексного узла (его индексом в массиве).

На языке представления логической организации файловой системы в виде графа это означает, что каждому узлу графа соответствует только один номер индексного узла, и никакие два узла графа не могут иметь одинаковые номера.

Надо отметить, что свойством уникальности номеров индексных узлов, идентифицирующих файлы, мы уже неявно пользовались при работе с именоваными pip'ами (лабораторная работа 4, раздел "Понятие FIFO. Использование системного вызова mknod() для создания FIFO. Функция mkfifo() ")). Для именованного pip'a именно номер индексного узла, соответствующего файлу с типом FIFO, является той самой точкой привязки, пользуясь которой, неродственные процессы могут получить данные о расположении pip'а в адресном пространстве ядра и его состоянии и связаться друг с другом.

Организация директорий (каталогов) в LINUX

Содержимое регулярных файлов (информация, находящаяся в них, и способ ее организации) всецело определяется программистом, создающим файл. В отличие от регулярных, остальные типы файлов, содержащих данные, т. е. директории и связи, имеют жестко заданную структуру и содержание, определяемые типом используемой файловой системы.

Основным содержимым файлов типа " директория ", если говорить на пользовательском языке, являются имена файлов, лежащих непосредственно в этих директориях, и соответствующие им номера индексных узлов. В терминах представления в виде графа содержимое директорий представляет собой имена ребер, выходящих из узлов, соответствующих директориям, вместе с индексными номерами узлов, к которым они ведут.

В файловой системе ext2fs пространство имен файлов (ребер) содержит имена длиной не более 14 символов, а максимальное количество inode в одном разделе файловой системы не может превышать значения 65535. Эти ограничения не позволяют давать файлам осмысленные имена и приводят к необходимости разбиения больших жестких дисков на несколько разделов. Зато они помогают упростить структуру хранения информации в директории. Все содержимое директории представляет собой таблицу, в которой каждый элемент имеет фиксированный размер в 16 байт. Из них 14 байт отводится под имя соответствующего файла (ребра), а 2 байта – под номер его индексного узла. При этом первый элемент таблицы дополнительно содержит ссылку на саму данную директорию под именем ".", а второй элемент таблицы – ссылку на родительский каталог (если он существует), т.е. на узел графа, из которого выходит единственное именованное ребро, ведущее к текущему узлу, под именем "..".

В более современной файловой системе ext3fs размерность пространства имен файлов (ребер) увеличена до 255 символов. Это позволило использовать практически любые мыслимые имена для файлов (вряд ли найдется программист, которому будет не лень набирать для имени более 255 символов), но пришлось изменить структуру каталога (чтобы уменьшить его размеры и не хранить пустые байты). В системе ext3fs каталог представляет собой таблицу из записей переменной длины. В структуру каждой записи входят: номер индексного узла, длина этой записи, длина имени файла и собственно его имя. Две первых записи в каталоге, как и в ext2fs, по-прежнему адресуют саму данную директорию и ее родительский каталог.

Понятие суперблока

Мы уже коснулись содержимого заголовка раздела, когда говорили о массиве индексных узлов файловой системы. Оставшуюся часть заголовка в ext2fs принято называть суперблоком. Суперблок хранит информацию, необходимую для правильного функционирования файловой системы в целом. В нем содержатся, в частности, следующие данные.

• Тип файловой системы.
• Флаги состояния файловой системы.
• Размер логического блока в байтах (обычно кратен 512 байтам).
• Размер файловой системы в логических блоках (включая сам суперблок и массив inode).
• Размер массива индексных узлов (т.е. сколько файлов может быть размещено в файловой системе).
• Число свободных индексных узлов (сколько файлов еще можно создать).
• Число свободных блоков для размещения данных.
• Часть списка свободных индексных узлов.
• Часть списка свободных блоков для размещения данных.

В некоторых модификациях файловой системы ext2fs последние два списка выносятся за пределы суперблока, но остаются в заголовке раздела. При первом же обращении к файловой системе суперблок обычно целиком считывается в адресное пространство ядра для ускорения последующих обращений. Поскольку количество логических блоков и индексных узлов в файловой системе может быть весьма большим, нецелесообразно хранить списки свободных блоков и узлов в суперблоке полностью. При работе с индексными узлами часть списка свободных узлов, находящаяся в суперблоке, постепенно убывает. Когда список почти исчерпан, операционная система сканирует массив индексных узлов и заново заполняет список. Часть списка свободных логических блоков, лежащая в суперблоке, содержит ссылку на продолжение списка, расположенное где-либо в блоках данных. Когда эта часть оказывается использованной, операционная система загружает на освободившееся место продолжение списка, а блок, применявшийся для его хранения, переводится в разряд свободных.