Организация файловой системы в UNIX. Работа с файлами и директориями. Понятие о memory mapped файлах

Организация файла на диске в UNIX на примере файловой системы s5fs. Понятие индексного узла (inode)

Рассмотрим, как организуется на физическом носителе любой файл в UNIX на примере простой файловой системы, впервые появившейся в вариантах операционной системы System V и носящей поэтому название s5fs (System V file system).

Все дисковое пространство раздела в файловой системе s5fs 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 лекции 12 (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 в этих семинарах 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 (семинар 5, раздел "Понятие FIFO. Использование системного вызова mknod() для создания FIFO. Функция mkfifo() ") и средствами System V IPC (семинары 6–7, раздел "Понятие о System V IPC"). 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. Для средств System V IPC при генерации IPC-ключа с помощью функции ftok() в действительности используется не имя заданного файла, а номер соответствующего ему индексного дескриптора, который по определенному алгоритму объединяется с номером экземпляра средства связи.

Организация директорий (каталогов) в UNIX

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 s5fs 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 FFS ( F ast F ile S ystem) 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 FFS 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 s5fs, 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 s5fs 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 s5fs 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.