Внутреннее устройство Linux

Уорд Брайан

4.5.1. Просмотр деталей дескрипторов inode

Чтобы увидеть значения дескриптора для любого каталога, используйте команду ls -i. Вот что получится, если применить ее к корневому каталогу нашего примера. Для получения более детальной информации воспользуйтесь командой stat.

$ ls -i

12 dir_1 7633 dir_2

Теперь вас, вероятно, заинтересует счетчик ссылок. Он уже встречался в результатах работы обычной команды ls -l. Как счетчик ссылок относится к файлам, показанным на рис. 4.5, и, в частности, к «жестко связанному» файлу file_5? Поле со счетчиком ссылок содержит общее количество записей в каталоге (по всем

каталогам), которые указывают на дескриптор inode. У большинства файлов счетчик ссылок равен 1, поскольку они появляются лишь один раз среди записей каталога. Этого и следовало ожидать: в большинстве случаев при создании файла вы создаете новую запись в каталоге и соответствующий ей новый дескриптор inode. Однако дескриптор 15 появляется дважды: сначала он создан как дескриптор для файла dir_1/file_3, а затем связан с файлом dir_2/file_5. Жесткая ссылка является лишь созданной вручную записью в каталоге, связанной с уже существующим дескриптором inode. Команда ln (без параметра -s) позволяет вручную создавать новые ссылки.

По этой причине удаление файла иногда называется разъединением. Если запустить команду rm dir_1/file_2, ядро начнет поиск записи с именем file_2 в каталоге дескриптора inode 12. Обнаружив, что file_2 соответствует дескриптору inode 14, ядро удаляет эту запись из каталога, а затем вычитает 1 из счетчика ссылок для дескриптора inode 14. В результате этот счетчик ссылок становится равным 0 и ядро будет знать о том, что с данным дескриптором inode не связаны никакие имена. Следовательно, этот дескриптор и все относящиеся к нему данные можно удалить.

Однако, если запустить команду rm dir_1/file_3, в результате получится, что счетчик ссылок для дескриптора inode 15 изменится с 2 на 1 (поскольку ссылка dir_2/file_5 все еще указывает на него) и ядро узнает о том, что данный дескриптор не следует удалять.

Счетчик ссылок для каталогов устроен во многом так же. Заметьте, что счетчик ссылок дескриптора inode 12 равен 2, поскольку присутствуют две ссылки на этот дескриптор: одна для каталога dir_1 в записях каталога для дескриптора inode 2, а вторая ссылка в собственных записях каталога (.) ведет на саму себя. Если создать новый каталог dir_1/dir_3, счетчик ссылок для дескриптора inode 12 станет равным 3, поскольку новый катлог будет включать запись о родительском каталоге (..), который связан с дескриптором inode 12, подобно тому, как родительская ссылка дескриптора inode 12 указывает на дескриптор inode 2.

Есть одно небольшое исключение. У корневого дескриптора inode 2 счетчик ссылок равен 4. Однако на рис. 4.5 показаны только три ссылки на записи каталогов. «Четвертая» ссылка находится в суперблоке файловой системы, поскольку именно он указывает, где отыскать корневой дескриптор inode.

Не бойтесь экспериментировать со своей системой. Создание структуры каталогов с последующим применением команды ls -i или stat для исследования различных частей является безопасным. Вам не придется выполнять перезагрузку системы (если только вы не смонтировали новую файловую систему).

Тем не менее один фрагмент еще отсутствует: каким образом файловая система при назначении блоков из пула данных для нового файла узнает о том, какие блоки использованы, а какие свободны? Один из самых простых способов состоит в применении дополнительной структуры управления данными, которая называется битовой картой блоков. В этой схеме файловая система резервирует последовательность байтов, в которой каждый бит соответствует одному блоку в пуле данных. Если бит равен 0, это означает, что данный блок свободен, а если 1, то блок используется. Таким образом, в основу распределения блоков положено переключение состояния битов.

Проблемы в файловой системе возникают тогда, когда данные из таблицы дескрипторов inode не соответствуют данным о размещении блоков или когда счетчики ссылок неверные; это может произойти, если работа системы была завершена некорректно. Тогда при проверке файловой системы (как было рассказано в подразделе 4.2.11) команда fsck будет просматривать таблицу дескрипторов inode и структуру каталогов, чтобы определить новые счетчики ссылок и создать новую карту размещения блоков (такую как битовая карта блоков), после чего она сравнит только что созданные данные с файловой системой на диске. Если обнаружатся несоответствия, команда fsck должна исправить счетчики ссылок и определить, как поступить с теми дескрипторами inode и/или данными, которые не были обнаружены при просмотре структуры каталогов. Большинство команд fsck помещает такие «осиротевшие» новые файлы в каталог lost+found.

4.5.2. Работа с файловыми системами в пространстве пользователя

При работе с файлами и каталогами в пространстве пользователя вы можете не беспокоиться о том, как это реализовано на нижнем уровне. От вас ожидают, что доступ к содержимому файлов и каталогов смонтированной файловой системы будет осуществляться с помощью системных вызовов ядра. Любопытно, что при этом у вас все же есть доступ к определенной системной информации, которая не очень вписывается в пространство пользователя, в частности, системный вызов stat возвращает номера дескрипторов inode и счетчики ссылок.

Если вы не заняты обслуживанием файловой системы, следует ли волноваться насчет дескрипторов inode и счетчиков ссылок? Как правило, нет. Эти данные доступны для команд из пространства пользователя в основном в целях обратной совместимости. К тому же не все файловые системы, доступные в Linux, располагают необходимой для них «начинкой». Слой интерфейса VFS обеспечивает то, что системные вызовы всегда возвращают значения дескрипторов inode и счетчиков ссылок, однако такие числа не обязаны что-либо значить.

В нетрадиционных файловых системах вы можете быть лишены возможности выполнять обычные для Unix операции с файловой системой. Например, нельзя использовать команду ln, чтобы создать жесткую ссылку в смонтированной файловой системе VFAT, поскольку в ней совершенно другая структура записей о каталогах.

Системные вызовы, которые доступны в пространстве пользователя Unix/Linux, обеспечивают достаточный уровень абстракции для безболезненного доступа к файлам: вам не обязательно знать что-либо о том, как он реализован, чтобы работать с файлами. Более того, гибкий формат имен файлов и поддержка использования разного регистра символов облегчают возможность применения других файловых систем с иерархической структурой.

Помните о том, что ядро не обязано поддерживать специфические файловые системы. В файловых системах с пространством пользователя ядро лишь выступает в роли проводника для системных вызовов.

4.5.3. Эволюция файловых систем

Даже в самой простой файловой системе имеется множество различных компонентов, требующих обслуживания. В то же время предъявляемые к файловым системам требования неуклонно возрастают по мере появления новых задач, технологий и возможностей хранения данных. Нынешний уровень производительности, целостности данных и требований безопасности намного превосходит ранние реализации файловых систем, поскольку технология файловых систем постоянно меняется. Мы уже упоминали в качестве примера о Btrfs — файловой системе нового поколения (см. подраздел 4.2.1).