Особенности файловой системы

Первое значение термина “файловая система” упирается в рассмотрение структур, в которые могут быть организованы файлы на носителях данных. Существует несколько видов таких структур: линейные, древовидные, объектные и другие, но в настоящее время широко распространены только древовидные структуры.

Каждый файл в древовидной структуре расположен в определенном хранилище файлов – каталоге, каждый каталог, в свою очередь, также расположен в некотором каталоге. Таким образом, по принципу вложения элементов файловой системы (файлов и каталогов) друг в друга строится дерево, вершинами которого являются непустые каталоги, а листьями – файлы или пустые каталоги. Корень такого дерева имеет название корневой каталог и обозначается каким-либо специальным символом или группой символов (например, «C:» в операционной системе Windows). Каждому файлу соответствует некоторое имя, определяющее его расположение в дереве файловой системы. Полное имя файла состоит из имен всех вершин дерева файловой системы, через которые можно пройти от корня до данного файла (каталога), записывая их слева направо и разделяя специальными символами-разделителями.

В настоящее время существует огромное количество файловых систем, каждая из которых используется для определенной цели. Среди множества файловых систем можно выделить такие, которые обладают рядом схожих признаков, а именно:

· Файлы и каталоги идентифицируются не по именам, а по индексным узлам (i-node) – индексам в общем массиве файлов для данной файловой системе. В этом массиве хранится информация об используемых блоках данных на носителе, а также – длина файла, владелец файла, права доступа и другая служебная информация под общим названием «метаданные о файле». Логические же связки типа «имя–i-node» – есть ни что иное как содержимое каталогов.
Таким образом, каждый файл характеризуется одним i-node, но может быть связан с несколькими именами – в UNIX это называют жёсткими ссылками. При этом, удаление файла происходит тогда, когда удаляется последняя жёсткая ссылка на этот файл.

· Важной особенностью таких файловых систем является то, что имена файлов зависят от регистра, другими словами файлы test.txt и TEST.txt отличаются (т.е. являются разными строками в файле директории).

· В определенных (фиксированных для данной файловой системы) блоках физического носителя данных находится т.н. суперблок. Суперблок – это наиболее ответственная область файловой системы, содержащая информацию для работы файловой системы в целом, а также – для ёе идентификации. В суперблоке находится «магическое число» – идентификатор файловой системы, отличающий её от других файловых систем, список свободных блоков, список свободных i-node'ов и некоторая другая служебная информация.

· Помимо каталогов и обычных файлов для хранения информации, ФС может содержать следующие виды файлов:

файл устройства – обеспечивает доступ к физическому устройству. При создании такого устройства указывается тип устройства (блочное или символьное), старший номер – индекс драйвера в таблице драйверов операционной системы и младший номер – параметр, передаваемый драйверу, поддерживающему несколько устройств, для уточнения о каком «подустройстве» идет речь (например, о каком из нескольких IDE-устройств или COM-портов);

именованный канал – используется для передачи данных между процессами, работает по принципу двунаправленной очереди (FIFO). Является одним из способов обмена между изолированными процессами;

символическая ссылка – особый тип файла, содержимое которого – не данные, а имя какого-либо другого файла. Для пользователя такой файл неотличим от того, на который он ссылается. Символическая ссылка имеет ряд преимуществ по сравнению с жёсткой ссылкой: она может использоваться для связи файлов в разных файловых системах, ссылка может удаляться совершенно независимо от основного файла;

сокет – предназначен для взаимодействия между процессами через специальное API, схожее с TCP/IP-сокетеми.

Такие файловые системы наследуют особенности оригинального UNIX. К ним можно отнести, например: s5 (используемая в версиях UNIX System V), ufs (BSD UNIX), ext2, ext3, reiserfs (Linux), qnxfs (QNX). Все эти файловые системы различаются форматами внутренних структур, но совместимы с точки зрения основных концепций.

Дерево каталогов

Рассмотрение второго значения термина ФС приводит к уже обозначенной ранее совокупности процедур, осуществляющих доступ к файлам на различных носителях. Особенностью операционных систем семейства UNIX является существование единого дерева файловой системы для любого количества носителей данных с одинаковыми или разными типами файловых систем на них. Это достигается путем монтирования – временной подстановкой вместо каталога одной файловой системы дерева другой файловой системы, вследствие чего система имеет не несколько деревьев никак не связанных друг с другом, а одно большое разветвленное дерево с единым корневым каталогом.

Файловая подсистема операционной системы UNIX имеет уникальную систему обработки запросов к файлам – переключатель файловых систем или виртуальная файловая система (VFS). VFS предоставляет пользователю стандартный набор функций (интерфейс) для работы с файлами, вне зависимости от места их расположения и принадлежности к разным файловым системам.

В мире стандартов UNIX определено, что корневой каталог единого дерева файловой системы должен иметь имя /, как и символ-разделитель при формировании полного имени файла. Тогда полное имя файла может быть, например, /usr/share/doc/bzip2/README.

Использование общепринятых имен основных файлов и структуры каталогов существенно облегчает работу в операционной системе, её администрирование и переносимость.

Рисунок 2.2 Стандартные каталоги в файловой системе UNIX

Приведем краткое описание основных каталогов системы, формально описываемых специальным стандартом на иерархию файловой системы (Filesystem Hierarchy Standart). Все каталоги можно разделить на две группы: для статической (редко меняющейся) информации – /bin, /usr и динамической (часто меняющейся) информации – /var, /tmp. Исходя из этого администраторы могут разместить каждый из этих каталогов на собственном носителе, обладающем соответствующими характеристиками.

корневой каталог

Корневой каталог / является основой любой ФС UNIX. Все остальные каталоги и файлы располагаются в рамках структуры (дерева), порождённой корневым каталогом, независимо от их физического местонахождения.

/bin

В этом каталоге находятся часто употребляемые команды и утилиты системы общего пользования. Сюда входят все базовые команды, доступные даже если была примонтирована только корневая файловая система. Примерами таких команд являются: ls, cp, sh и т.п..

/boot

Директория содержит всё необходимое для процесса загрузки операционной системы: программу-загрузчик, образ ядра операционной системы и т.п..

/dev

Каталог содержит специальные файлы устройств, являющиеся интерфейсом доступа к периферийным устройствам. Наличие такого каталога не означает, что специальные файлы устройств нельзя создавать в другом месте, просто достаточно удобно иметь один каталог для всех файлов такого типа.

/etc

В этом каталоге находятся системные конфигурационные файлы. В качестве примеров можно привести файлы /etc/fstab, содержащий список монтируемых файловых систем, и /etc/resolv.conf, который задаёт правила составления локальных DNS-запросов. Среди наиболее важных файлов – скрипты инициализации и деинициализации системы. В системах, наследующих особенности UNIX System V, для них отведены каталоги с /etc/rc0.d по /etc/rc6.d и общий для всех файл описания – /etc/inittab.

/home (необязательно)

Директория содержит домашние директории пользователей. Её существование в корневом каталоге не обязательно и её содержимое зависит от особенностей конкретной UNIX-подобной операционной системы.

/lib

Каталог для статических и динамических библиотек, необходимых для запуска программ, находящихся в директориях /bin и /sbin.

/mnt

Стандартный каталог для временного монтирования файловых систем – например, гибких и флэш-дисков, компакт-дисков и т.п..

/root (необязательно)

Директория содержит домашнюю директорию суперпользователя. Её существование в корневом каталоге не обязательно.

/sbin

В этом каталоге находятся команды и утилиты для системного администратора. Примерами таких команд являются: route, halt, init и т.п.. Для аналогичных целей применяются директории /usr/sbin и /usr/local/sbin.

/usr

Эта директория повторяет структуру корневой директории – содержит каталоги /usr/bin, /usr/lib, /usr/sbin, служащие для аналогичных целей.

Каталог /usr/include содержит заголовочные файлы языка C для всевозможные библиотек, расположенных в системе.

Каталог /usr/local является следующим уровнем повторения корневого каталога и служит для хранения программ, установленных администратором в дополнение к стандартной поставке операционной системы.

Каталог /usr/share хранит неизменяющиеся данные для установленных программ. Особый интерес представляет каталог /usr/share/doc, в который добавляется документация ко всем установленным программам.

/var, /tmp

Используются для хранения временных данных процессов – системных и пользовательских соответственно.

Управление процессами

В операционной системе UNIX традиционно поддерживается классическая схема мультипрограммирования. Система поддерживает возможность параллельного (или псевдопараллельного в случае наличия только одного аппаратного процессора) выполнения нескольких пользовательских программ. Каждому такому выполнению соответствует процесс операционной системы. Каждый процесс выполняется в собственной виртуальной памяти, и, тем самым, процессы защищены один от другого, т.е. один процесс не в состоянии неконтролируемым образом прочитать что-либо из памяти другого процесса или записать в нее.

Контекст процесса

Каждому процессу соответствует контекст, в котором он выполняется. Этот контекст включает содержимое пользовательского адресного пространства – пользовательский контекст (т.е. содержимое сегментов программного кода, данных, стека, разделяемых сегментов и сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память), содержимое аппаратных регистров – регистровый контекст (регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистры общего назначения), а также структуры данных ядра (контекст системного уровня), связанные с этим процессом.

Контекст процесса системного уровня в ОС UNIX состоит из «статической» и «динамических» частей. Для каждого процесса имеется одна статическая часть контекста системного уровня и переменное число динамических частей.

Статическая часть контекста процесса системного уровня включает следующее:

Идентификатор процесса (PID)

Уникальный номер, идентифицирующий процесс. По сути, это номер строки в таблице процессов – специальной внутренней структуре ядра операционной системы, хранящей информацию о процессах.

В любой момент времени номера запущенных в системе процессов отличаются, однако после завершения процесса, его номер может быть в дальнейшем использован для идентификации вновь запущенного процесса.

Идентификатор родительского процесса (PPID)

В операционной системе UNIX процессы выстраиваются в иерархию – новый процесс может быть создан в рамках текущего, который выступает для него родительским.

Таким образом, можно построить дерево из процессов, в вершине которого находится процесс init, запускающийся при старте системы и являющийся прародителем для всех системных процессов.

Состояние процесса

Каждый процесс может находиться в одном из возможных состояний: инициализация, исполнение, приостановка, ожидание ввода-вывода, завершение и т.п. (см. Рисунок 2.3, «Состояния процесса в UNIX»).

Большинство этих состояний совпадает с классическим набором состояний процессов в многозадачных операционных системах. Для операционной системы UNIX характерно особое состояние процесса – зомби. Это состояние имеет завершившийся процесс, родительский процесс которого еще не закончил работу, и служит для корректного завершения группы процессов, освобождения ресурсов и т.п..

Поиск по сайту: