Виртуальная файловая система (VFS)

База, на которой основывается использование всего многообразия поддерживаемых файловых систем.

Принцип функционирования

Ядро системы Linux содержит в себе программный код-посредник, выполняющий функции виртуальной файловой системы. Этот код обрабатывает запросы к файлам и вызывает необходимые функции соответствующей файловой системы для выполнения операции ввода/вывода. Такой механизм работы с файлами используется для упрощения объединения и использования нескольких типов файловых систем.

Пусть программа записывает информацию в файл (или считывает ее, не суть важно). Программой вызывается библиотечная функция, отвечающая за запись (или чтение) информации в файл. Эта функция определенным образом подготавливает информацию, которая затем передается в ядро системы. Ядро, в свою очередь, вызывает соответствующую функцию виртуальной файловой системы. Эта функция определяет, с каким типом файловой системы будут производиться манипуляции, подготавливает данные и вызывает необходимую функцию соответствующей файловой системы, с которой производится операция. Такая многоуровневая структура позволяет максимально абстрагироваться от особенностей операционной системы и, в случае необходимости, безболезненно эмулировать недостающие атрибуты файла.

Структура VFS

Виртуальная файловая система содержит набор функций, которые должна поддерживать любая файловая система (создание, удаление, модификация файла, каталога и тому подобные действия). Этот интерфейс состоит из функций, которые оперируют тремя типами объектов: файловые системы, индексные дескрипторы и открытые файлы.

Виртуальная файловая система использует таблицу, в которой во время компиляции ядра сохраняется информация о всех типах поддерживаемых файловых систем. Запись в таблице содержит тип файловой системы и указатель на соответствующую функцию монтирования файловой системы. При монтировании файловой системы эта функция возвращает виртуальной файловой системе дескриптор, который используется в дальнейшем в операциях ввода/вывода.

Дескриптор смонтированной файловой системы содержит определенный набор информации: указатели на функции, служащие для выполнения операций данной файловой системы, и данные, используемые этой системой. Указатели на функции, расположенные в дескрипторе файловой системы, позволяют виртуальной файловой системе получить доступ к функциям, специфичным для данной файловой системы.

В виртуальной файловой системе применяются еще два типа дескрипторов: индексный дескриптор и дескриптор открытого файла. Каждый из них содержит информацию, связанную с обрабатываемыми файлами и набором операций, используемых файловой системой. Индексный дескриптор содержит указатели к функциям, применяемым к любому файлу, а дескриптор открытого файла содержит указатели к функциям, оперирующим только с открытыми файлами.

Файловая система Ext2

Файловая система Ext2 (The Second Extended File System, вторая расширенная файловая система) была разработана с целью устранения ошибок, обнаруженных в предыдущей системе Ext (Extended File System), и снятия некоторых ее ограничений.

Стандартные возможности Ext2

Файловая система Ext2 поддерживает стандартные типы файлов UNIX:

• файлы;

• каталоги;

• файлы устройств;

• символические ссылки.

Ext2 может управлять файловыми системами, установленными на очень больших дисковых разделах. Система поддерживает имена файлов большой длины – до 255 символов. Ext2 резервирует некоторое количество блоков для пользователя root, что позволяет системному администратору избежать нехватки объема жесткого диска при его заполнении другими пользователями.

Дополнительные возможности Ext2

В файловой системе Ext2 может использоваться синхронная модификация данных. Она применяется для достижения высокой плотности записи информации, но одновременно приводит к ухудшению производительности.

Ext2 позволяет при создании файловой системы выбрать размер логического блока. Он может быть определен в 1024, 2048 или 4096 байтов. Организация блоков большого объема приводит к ускорению операций чтения/записи, но при этом дисковое пространство используется нерационально.

Ext2 позволяет применять ускоренные символические ссылки. В этом случае блоки данных файловой системы не используются. Имя файла назначения хранится не в блоке данных, а в самом индексном дескрипторе. Такая структура позволяет сохранить дисковое пространство и ускорить обработку символических ссылок. Максимальная длина имени файла в ускоренной ссылке равна 60 символам.

Ext2 использует отдельное поле в суперблоке для индикации состояния файловой системы. Если файловая система смонтирована в режиме read/write, то ее состояние устанавливается как Not Clean. Если же она демонтирована или смонтирована заново в режиме read-only, то ее состояние устанавливается в Clean. Во время загрузки операционной системы и проверки состояния файловой системы эта информация используется для определения необходимости такой проверки. Ядро также помещает в это поле некоторые ошибки. При определении ядром какого-либо несоответствия файловая система помечается как Erroneous.

Длительное отсутствие проверки может привести к проблемам функционирования файловой системы, поэтому Ext2 включает в себя два метода для организации принудительной проверки. В суперблоке содержится счетчик монтирования системы. Этот счетчик увеличивается каждый раз, когда система монтируется в режиме read/write. Если его значение достигает максимального значения (оно также хранится в суперблоке), то запускается программа проверки файловой системы, даже если ее состояние является Clean. В суперблоке также хранится последнее время проверки, и максимальный интервал между проверками. При превышении этого интервала также запускается программа проверки файловой системы.

В системе Ext2 имеются утилиты для ее настройки. Так, программа tune2fs используется для определения порядка действий при обнаружении ошибки. Может быть выполнено одно из трех следующих действий:

• продолжение выполнения;

• монтирование файловой системы заново в режиме read-only;

• перезагрузка системы для проверки файловой системы.

Кроме того, эта программа позволяет задать:

• максимальное значение числа монтирований файловой системы;

• максимальный интервал между проверками файловой системы;

• количество логических блоков, зарезервированных для пользователя root.

Физическая структура Ext2

Как и во многих файловых системах, в Ext2 существует загрузочная область. На первичном разделе (primary, в терминологии программы Fdisk фирмы Microsoft) она содержит загрузочную запись – фрагмент кода, который инициирует процесс загрузки операционной системы при запуске. Все остальное пространство раздела делится на блоки стандартного размера. Блок может иметь размер 1, 2 или 4 Кбайт. Блок является минимальной логической единицей дискового пространства (в других операционных системах такой блок называют кластером). Выделение места файлам осуществляется целыми блоками.

Блоки, в свою очередь, объединяются в группы блоков. Каждая группа блоков имеет одинаковое строение. Рассмотрим подробнее их структуру (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Структура группы блоков

Суперблок (Superblock) Описание группы блоков (Group Descriptors) Битовая карта блока (Block Bitmap) Битовая карта индексного дескриптора (Inode Bitmap) Таблица индексных дескрипторов (Inode Table) Блоки данных

Суперблок одинаков для всех групп, все же остальные поля индивидуальны для каждой группы. Суперблок хранится в первом блоке каждой группы блоков, является начальной точкой файловой системы, имеет размер 1024 байта и располагается по смещению 1024 байта от начала файловой системы. Копии суперблока используются при восстановлении файловой системы после сбоев.

Информация в суперблоке служит для доступа к остальным данным на диске. В суперблоке определяется размер файловой системы, максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства. При старте операционной системы суперблок считывается в память, и все изменения файловой системы сначала записываются в копию суперблока, находящуюся в оперативной памяти, и только затем сохраняются на диске. При описании структуры суперблока используются следующие значения: