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

Введение

В материалах нескольких предыдущих семинаров (семинары 1–2, семинар 5) уже затрагивались вопросы работы с файлами в UNIX. Но только теперь, пояснив в лекции понятие файловой системы, мы можем рассмотреть файловую систему UNIX в целом. Наш обзор, правда, ограничится общими вопросами, связанными с организацией файловой системы, и системными вызовами, которые с наибольшей вероятностью могут пригодиться в дальнейшем. Это связано как с ограниченностью времени, которое отводится на работу с файловыми системами в нашем курсе, так и с преимущественно практическим направлением наших занятий.

Разделы носителя информации (partitions) в UNIX

Физические носители информации – магнитные или оптические диски, ленты и т.д., использующиеся как физическая основа для хранения файлов, в операционных системах принято логически делить на разделы (partitions) или логические диски . Причем слово "делить" не следует понимать буквально, в некоторых системах несколько физических дисков могут быть объединены в один раздел. Об этом подробнее рассказывается в лекции 12 в разделе "Общая структура файловой системы".

В операционной системе UNIX физический носитель информации обычно представляет собой один или несколько разделов. В большинстве случаев разбиение на разделы производится линейно, хотя некоторые варианты UNIX могут допускать некое подобие древовидного разбиения (Solaris). Количество разделов и их размеры определяются при форматировании диска. Поскольку форматирование диска относится к области администрирования операционных систем, оно в нашем курсе рассматриваться не будет.

Наличие нескольких разделов на диске может определяться требованиями операционной системы или пожеланиями пользователя. Допустим, пользователь хочет разместить на одном жестком диске несколько операционных систем с возможностью попеременной работы в них, тогда он размещает каждую операционную систему в своем разделе. Или другая ситуация: необходимость работы с несколькими видами файловых систем. Под каждый тип файловой системы выделяется отдельный логический диск. Третий вариант – это разбиение диска на разделы для размещения в разных разделах различных категорий файлов. Скажем, в одном разделе помещаются все системные файлы, а в другом разделе – все пользовательские файлы. Примером операционной системы, внутренние требования которой приводят к появлению нескольких разделов на диске, могут служить ранние версии MS-DOS, для которых максимальный размер логического диска не превышал 32 Мбайт.

Для простоты далее в этих семинарах будем полагать, что у нас имеется только один раздел и, следовательно, одна файловая система. Вопросы взаимного сосуществования нескольких файловых систем в рамках одной операционной системы мы затронем в семинарах 13–14 перед обсуждением реализации подсистемы ввода-вывода.

Логическая структура файловой системы и типы файлов в UNIX

Мы не будем давать здесь определение файла, полагая, что интуитивное представление о файлах у вас имеется, а в лекции 11 (раздел "Введение") 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.

В материалах семинаров 1-2 упрощенно говорилось о том, что файлы могут объединяться в директории, и что файлы и директории организованы в древовидную структуру. На нынешнем уровне знаний мы можем сформулировать это более аккуратно. В операционной системе UNIX 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 (лекция 11). О способах их отображения в дисковое пространство речь пойдет чуть позже. Файлы типа FIFO были представлены в семинаре 5, когда рассматривалась работа с именованными pip'ами (раздел "Понятие FIFO. Использование системного вызова mknod() для создания FIFO. Функция mkfifo()"). Файлы типа "связь" мы представим в этом семинаре, 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 семинаров 13–14, посвященных реализации в UNIX подсистемы ввода-вывода и передаче информации с помощью сигналов. Файлы типа "сокет" будут введены в семинарах 15–16, когда мы будем рассматривать вопросы сетевого программирования в UNIX.

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. рис. 11–12.1), хотя присутствие в терминальном узле файла типа "связь" обычно говорит о некотором нарушении целостности файловой системы.

Рис. 11-12.1. 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 UNIX-подобных систем в узел графа, соответствующий файлу типа " директория ", не может входить более одного именованного ребра, хотя стандарт на операционную систему UNIX и не запрещает этого. Правила построения имен ребер (файлов) рассматривались в семинарах 1-2. 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.

Полное имя является уникальным для всей файловой системы и однозначно определяет соответствующий ему файл.