Рис. 12.1. Подсистема VFS в действии: использование команды cp(1) для копирования данных с жесткого диска, на котором монтируется файловая система, ext3, на гибкий диск, на котором монтируется файловая система ext2
Общий интерфейс к файловым системам
Подсистема VFS — это связующее звено, которое позволяет таким системным вызовам, как open(), read() и write(), работать независимо от файловой системы и физической среды носителя информации. Сегодня это может не впечатлять, поскольку такая возможность принимается как должное. Тем не менее сделать так, чтобы общие системные вызовы работали для всех поддерживаемых файловых систем и физических сред хранения данных, — задача не тривиальная. Более того, эти системные вызовы позволяют выполнять операции между различными файловыми системами и различными физическими носителями — мы можем копировать и перемещать данные с одной файловой системы на другую с помощью стандартных системных вызовов. В старых операционных системах (например, DOS) таких возможностей не было. Любые операции доступа к "неродным" файловым системам требовали использования специальных утилит. Сейчас такие возможности существуют, потому что все современные операционные системы, включая Linux, абстрагируют доступ к файловым системам с помощью виртуального интерфейса, который дает возможность совместной работы с данными и обобщенного доступа к данным. В операционной системе Linux может появиться поддержка новых типов файловых систем или новых физических средств хранения данных, при этом нет необходимости переписывать или перекомпилировать существующие программы.
Уровень обобщенной файловой системы
Общий интерфейс для всех типов файловых систем возможен только благодаря тому, что в ядре реализован обобщающий уровень, который скрывает низкоуровневый интерфейс файловых систем. Данный обобщающий уровень позволяет операционной системе Linux поддерживать различные файловые системы, даже если эти файловые системы существенно отличаются друг от друга своими функциями и особенностями работы. Это в свою очередь становится возможным благодаря тому, что подсистема VFS реализует общую файловую модель, которая в состоянии представить общие функции и особенности работы потенциально возможных файловых систем. Конечно, эта модель имеет уклон в сторону файловых систем в стиле Unix (что представляют собой файловые системы в стиле Unix, будет рассказано в следующем разделе). Несмотря на это в ОС Linux поддерживается довольно большой диапазон различных файловых систем.
Обобщенный уровень работает путем определения базовых интерфейсов и структур данных, которые нужны для поддержки всех файловых систем. Код поддержки каждой файловой системы должен формировать все концепции своей работы в соответствии с шаблонными требованиями подсистемы VFS, например "так открываем файл", а "так представляем каталог". Код файловой системы скрывает все детали реализации. По отношению к уровню VFS и остальным частям ядра все файловые системы выглядят одинаково, т.е. все файловые системы начинают поддерживать такие объекты, как файлы и каталоги, и такие операции, как создание и удаление файла.
В результате получается общий уровень абстракции, который позволяет ядру легко и просто поддерживать множество типов файловых систем. Код файловых систем программируется таким образом, чтобы поддерживать общие интерфейсы и структуры данных, которые нужны для работы с виртуальной файловой системой. В свою очередь, ядро легко может работать со всеми файловыми системами, и соответственно, экспортируемый ядром интерфейс пользователя также позволяет аналогично работать со всеми файловыми системами.
В ядре нет необходимости поддерживать низкоуровневые детали реализации файловых систем нигде, кроме кода самих файловых систем. Например, рассмотрим следующую простую программу, работающую в пространстве пользователя.
write(f, &buf, len);
Этот системный вызов записывает len байт из области памяти по адресу &buf в файл, представленный с помощью дескриптора f, начиная с текущей позиции файла. Этот системный вызов вначале обрабатывается общей функцией ядра sys_write(), которая определяет функцию записи в файл для той файловой системы, на которой находится файл, представленный дескриптором f. Далее общий системный вызов вызывает найденную функцию, которая является частью реализации файловой системы и служит для записи данных на физический носитель (или для других действий, которые файловая система выполняет при записи файла). На рис. 12.2 показана диаграмма выполнения операции записи, начиная от пользовательской функции write() и заканчивая поступлением данных на физический носитель. Далее в этой главе будет показано, как подсистема VFS позволяет достичь необходимой абстракции и какие для этого обеспечиваются интерфейсы.
Рис. 12.2. Схема прохождения данных из пространства пользователя, где вызывается функция write(), через общий системный вызов VFS, к специфическому методу записи файловой системы и, наконец, поступление на физический носитель
Файловые системы Unix
Исторически так сложилось, что ОС Unix обеспечивает четыре абстракции, связанные с файловыми системами: файлы, элементы каталогов (directory entry), индексы (inode) и точки монтирования (mount point).
Файловая система — это иерархическое хранилище данных определенной структуры. Файловые системы содержат файлы, каталоги и соответствующую управляющую информацию. Обычные операции, которые выполняются с файловыми системами, — это создание (create), удаление (delete) и монтирование (mount). В ОС Unix файловые системы монтируются на определенную точку монтирования в общей иерархии[67], которая называется пространством имен (namespace). Это позволяет все файловые системы сделать элементами одной древовидной структуры[68].
Файл (file) — это упорядоченный поток байтов. Первый байт соответствует началу файла, а последний байт — концу файла. Каждому файлу присваивается удобочитаемое имя, по которому файл идентифицируется как пользователями, так и системой. Обычные файловые операции— это чтение (read), запись (write), создание (create) и удаление (delete).
Файлы помещаются в каталогах (directory). Каталог — это аналог папки, которая обычно содержит связанные между собой файлы. Каталоги могут содержать подкаталоги. В этой связи каталоги могут быть вложены друг в друга и образуют пути (path). Каждый компонент пути называется элементом каталога (directory entry). Пример пути — "/home/wolfman/foo". Корневой каталог "/", каталоги home и wolfman, a также файл fоо — это элементы каталогов, которые называются dentry. В операционной системе Unix каталоги представляют собой обычные файлы, которые просто содержат список файлов каталога. Так как каталог по отношению к виртуальной файловой системе — это файл, то с каталогами можно выполнять те же операции, что и с файлами.
Unix-подобные операционные системы отличают концепцию файла от любой информации об этом файле (права доступа, размер, владелец, время создания и т.д.). Последняя информация иногда называется метаданнымм файла (file metadata), т.е. данные о данных, и хранится отдельно от файлов в специальных структурах, которые называются индексами (inode). Это сокращенное название от index node (индексный узел), хотя в наши дни термин "inode" используется значительно чаще.
67
Сейчас в операционной системе Linux эта иерархическая структура является уникальной для каждого процесса, т.е. каждый процесс имеет свое пространство имен. По умолчанию каждый процесс наследует пространство имен своего родительского процесса, поэтому кажется, что существует одно глобальное пространство имен.
68
В отличие от указания буквы, которая соответствует определенному диску, например С:. В последнем случае пространство имен разбивается на части, которые соответствуют различным устройствам или разделам устройств. Поскольку такое разделение выполняется случайным образом, в качестве представления для пользователя его можно считать не самым идеальным вариантом.