Файловая система

Что такое файловая система?

A Файловая система это методы и структуры данных, которые используются операционной системой для хранения файлов на диске или его разделе. О файловой системе также говорят, ссылаясь на раздел или диск, используемый для хранения файлов или тип файловой системы.

Нужно видеть разницу между диском или разделом и установленной на нем файловой системой. Некоторые программы (например, программы установки файловой системы) при обращении к диску или разделу используют прямой доступ к секторам. Если на этом месте была файловая система, то она будет серьезно повреждена. Большинство программ взаимодействуют с диском посредством файловой системы, и, следовательно, их работа будет нарушена, если на разделе или диске никакая система не установлена (или тип файловой системы не соответствует требуемуму).

Перед тем, как раздел или диск могут быть использованы в качестве файловой системы, она должна быть инициализирована, а требуемые данные перенесены на этот диск. Этот процесс называется созданием файловой системы..

У большей части файловых систем UNIX сходная структура, а их некоторые особенности очень мало различаются. Основными понятиями являются: суперблок (superblock), индексный дескриптор (inode), блок данных (data block), блок каталога (directory block) и косвенный блок (indirection block). В суперблоке содержится информация о файловой системе в целом, например, ее размер (точная информация зависит от типа файловой системы). В индексном дескрипторе хранится вся информация о файле, кроме его имени. Имя файла хранится в блоке каталога, вместе с номером дескриптора. Запись каталога содержит имя файла и номер индексного дескриптора соответствующего файла. В этом дескрипторе хранятся номера нескольких блоков данных, которые используются для хранения самого файла. В inode есть место только для нескольких номеров блоков данных, однако, если требуется большее количество, то пространство для указателей на блоки данных динамически выделяется. Такие блоки называются косвенными. Для того, чтобы найти блок данных, нужно сначала найти его номер в косвенном блоке. Как видите, в устройстве файловой ext2, типичной для Linux нет ничего сложного.

В файловых системах UNIX обычно имеется возможность создания дыр (hole)в файлах (это можно сделать с помощью команды lseek, см. man-руководство). Это означает, что файловая система предоставляет ложную информацию о том, что в каком-то месте в файле содержатся нулевые байты, но в действительности для этого не выделяются сектора (это означает, что файл будет занимать несколько меньше места на диске). Это часто используется особенно в небольших двоичных программах, библиотеках Linux, в некоторых базах данных и в других отдельных случаях. Дыры реализуются хранением специального значения в косвенном блоке или индексном дескрипторе вместо адреса блока данных. Это специальное значение показывает, что для данной части файла блоки данных не размещены и, следовательно, что в файле есть дыра. Таким образом, довольно примитивное сжатие данных в Linux реализовано непосредственно на уровне файловой системы.

Использование дыр неожиданно эффективно. На компьютере с общим дисковым пространством в 200 Мб, простые измерения показывают, что применение дыр дает экономию в 4 Мб. Однако, эти измерения проводились на системе, где было установлено относительно мало программ и отсутствовали файлы баз данных. Метод измерения дыр рассмотрен в приложении B.

Различные файловые системы

Linux поддерживает несколько типов файловых систем. Наиболее важные из них рассмотрены ниже.

В дополнение к рассмотренным выше, в Linux включена поддержка еще некоторых файловых систем для обеспечения обмена файлами между другими операционными системами. Эти файловые системы работают также, как и описанные выше, кроме того, что их функциональные возможности могут быть значительно ограничены по сравнению с возможностями, обычно предоставляемыми файловыми системами UNIX.

Есть поддержка множества других файловых систем, например, Atari или Amiga. На текущий момент Linux поддерживает порядка 50 файловых систем. Такое возможно благодаря применению технологии IFS (Installable File System), которая позволяет подключать новые системы с помощью драйверов. Нечто подобное сейчас пытается сделать Windows NT, но ее успехи пока незначительны. Набор используемых файловых систем зависит от конкретной ситуации. Для Linux лучшим выбором является ext2. Если Вам нужна совместимость с другими системами, ее можно организовать.

Также существует файловая система proc, которая обычно доступна через каталог /proc. В действительности, она не является файловой системой, хотя по ее структуре сложно обнаружить разницу. Эта система позволяет получить доступ к определенным структурам данных ядра, к таким, как список процессов (process list, отсюда и название) или сведения об аппаратуре. Все эти структуры выглядят как файловая система из каталогов и обычных текстовых файлов и ими можно оперировать обычными средствами работы с файловой системой. Например, для получения списка всех процессов, используется следующая команда:

$ ls -l /proc
total 0
dr-xr-xr-x   4 root     root            0 Jan 31 20:37 1
dr-xr-xr-x   4 liw      users           0 Jan 31 20:37 63
dr-xr-xr-x   4 liw      users           0 Jan 31 20:37 94
dr-xr-xr-x   4 liw      users           0 Jan 31 20:37 95
dr-xr-xr-x   4 root     users           0 Jan 31 20:37 98
dr-xr-xr-x   4 liw      users           0 Jan 31 20:37 99
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 devices
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 dma
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 filesystems
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 interrupts
-r--------   1 root     root      8654848 Jan 31 20:37 kcore
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 11:50 kmsg
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 ksyms
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 11:51 loadavg
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 meminfo
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 modules
dr-xr-xr-x   2 root     root            0 Jan 31 20:37 net
dr-xr-xr-x   4 root     root            0 Jan 31 20:37 self
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 stat
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 uptime
-r--r--r--   1 root     root            0 Jan 31 20:37 version

$

Хотя система /proc и называется файловой, ни одна ее часть не взаимодействует с диском. Она существует только в представлении ядра и при попытке обращения к какой-либо ее части, создается впечатление, что эта часть где-то существует, хотя в действительности это не так. Даже если существует файл /proc/kcore в несколько мегабайт размером, он не занимает места но диске.

Какая файловая система должна использоваться?

Обычно мало смысла в пpименении нескольких разных файловых систем (разве что для совместимости). В настоящее время наиболее популярной считается система ext2fs и, возможно, она является наилучшим выбором. В зависимости от различных параметров (скорость, производительность, надежность, совместимость и др.) может оказаться, что установка другой файловой системы будет более приемлемым вариантом.

Создание файловых систем

Файловая система устанавливается, т.е. инициализируется, при помощи команды mkfs. В действительности, существуют отдельные программы для каждого типа файловой системы. Команда mkfs только запускает требуемую программу в зависимости от типа устанавливаемой системы. Немножко напоминает выводок дефрагментаторов диска в Windows 2000. Тип файловой системы указывается при помощи опции -t fstype.

Параметры, передаваемые программам, вызываемым mkfs, слегка различаются. Наиболее важные из них рассмотрены ниже (для более подробной информации см. man-руководство).

Для установки файловой системы ext2 на дискету (камешек в огород Windows NT и Windows 2000: они могут ставить на дискету только разные варианты FAT!), используется следующая последовательность команд:

$ fdformat -n /dev/fd0H1440

Double-sided, 80 tracks, 18 sec/track. Total capacity 1440 kB.
Formatting ... done

$ badblocks /dev/fd0H1440 1440
$>$ bad-blocks

$ mkfs -t ext2 -l bad-blocks /dev/fd0H1440
 
mke2fs 0.5a, 5-Apr-94 for EXT2 FS 0.5, 94/03/10
360 inodes, 1440 blocks
72 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=1
Block size=1024 (log=0)
Fragment size=1024 (log=0)
1 block group
8192 blocks per group, 8192 fragments per group
360 inodes per group

Writing inode tables: done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done
 
$

Вместо использования badblocks, команде mkfs может быть указан параметр -c , как это видно из примера, рассмотренного ниже.

$ mkfs -t ext2 -c /dev/fd0H1440

mke2fs 0.5a, 5-Apr-94 for EXT2 FS 0.5, 94/03/10
360 inodes, 1440 blocks
72 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=1
Block size=1024 (log=0)
Fragment size=1024 (log=0)
1 block group
8192 blocks per group, 8192 fragments per group
360 inodes per group

Checking for bad blocks (read-only test): done
Writing inode tables: done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

$

Установка файловых систем на жесткий диск или его раздел аналогична установке на дискету, исключая форматирование.

Монтирование и демонтирование

Перед работой с файловой системой, она должна быть смонтирована. При этом операционная система выполняет некоторые действия, обеспечивающие функционирование монтируемой системы. Так как все файлы в системе UNIX принадлежат одной структуре каталогов, то эта операция обеспечивает работу с файловой системой, как с каталогом уже смонтированной.

Рассмотрим три различные файловые системы. Если две последние системы (2-ю и 3-ю) соответственно смонтировать к каталогам /home и /usr первой системы, то в итоге образуется файловая система с единой структурой каталогов (4):

1]                  2]                   3]

/ ддбддддд bin      / ддбдддддд abc      / ддбдддддд bin
    П                   П                    П
    цддддд dev          цдддддд liw          цдддддд etc
    П                   П                    П
    цддддд home         юдддддд ftp          юдддддд lib
    П
    цддддд etc
    П
    цддддд lib
    П
    юддддд usr

4]
/ ддбдддбд usr
    П   П
    П   цдддддд lib
    П   П
    П   цдддддд etc
    П   П
    П   юдддддд bin
    П
    цддддд lib
    П
    цддддд etc
    П
    цдддбд home
    П   П
    П   цдддддд ftp
    П   П
    П   цдддддд liw
    П   П
    П   юдддддд abc
    П
    цддддд bin
    П
    юддддд dev

В примере, рассмотреном ниже, показано, как это сделать.

$ mount /dev/hda2 /home

$ mount /dev/hda3 /usr

$

Linux поддерживает много файловых систем. Команда mount пытается сама определить тип файловой системы для монтирования, но не всегда у нее это получается. В таком случае Вы можете ей помочь параметром -t fstype, который задает тип файловой системы однозначно. Например, чтобы сммонтировать дискету MS-DOS скомандуйте:

$ mount -t msdos /dev/fd0 /floppy
$

Монтируемый каталог не обязательно должен быть пустым, хотя он должен существовать. Однако все файлы, в нем расположенные, будут недоступны после монтирования файловой системы. Открытые ранее файлы будут также доступны, а файлы, являющиеся жесткими ссылками из других каталогов, будут доступны с использованием имен ссылок. Таким образом, никакого ущерба не наносится и это даже может быть полезно. Например, некоторые делают каталог /tmp символической ссылкой на каталог /var/tmp . При загрузке системы, когда файловая система /var не смонтирована, каталог размещается в системе root. После того, как /var смонтирована, каталог /var/tmp, расположенный в файловой системе root, становится недоступным. Если же /var/tmp не существует в системе root, то перед монтированием /var создание и pабота с временными файлами будет невозможна.

Для защиты файловой системы от записи, команда mount запускается с опцией -r, после чего монтирование производится в режиме read-only. После этого ядро пресекает любые попытки записи, включая модификацию времени доступа к файлам в индексном дескрипторе. Монтирование с защитой от записи используется при работе с такими устройствами, как CD-ROM.

Возникает вопрос: каким же образом монтируется корневая файловая система (т.е. система root), так как очевидно, что она не может быть смонтирована на какую-либо другую. Система root монтируется во время загрузки, поэтому считается, что она всегда установлена (если бы она не была установлена, то компьютер не смог бы загрузиться). Название файловой системы, используемой для монтирования root, либо встроено в ядро, либо устанавливается при помощи LILO или rdev.

Обычно сначала система root монтируется в режиме read-only. Затем запускается программа fsck для проверки ее целостности и если все в порядке, то система перемонтируется (re-mount) в режиме read-write. fsck не следует запускать на смонтированной файловой системе, так как изменения, произведенные при ее выполнении, могут привести к повpеждению системы. Так как система root сначала монтируется в режиме read-only, то после ее проверки все неполадки могут быть полностью устранены при повторном монтировании.

На многих системах существуют и другие файловые системы, которые должны быть смонтированы во время загрузки. Их список содержится в файле /etc/fstab (см. man-руководство к fstab(5)). Детали монтирования могут сильно отличаться на каждой системе. Ряд советов можно получить в главе 6.

Если файловая система для работы больше не требуется, то она может быть размонтирована. Для этого используется команда umount с одним параметром. Это может быть как файл устройства, так и узел монтирования. Например, для демонтирования каталогов, рассмотренных в предыдущем примере, используются следующие команды:

$ umount /dev/hda2
$ umount /usr
$

После работы с дисководом для дискет следует каждый раз применять эту команду, так как до размонтирования системы нельзя быть уверенным, что данные были записаны на диск, а не остались в буфере. Если они остались в буфере, извлечение дискеты ничем хорошим не кончится. Не вынимайте дискету, не размонтировав ее!!! Если Вы только читали с дискеты, ничего страшного произойти вроде бы не должно, но вот если записывали... Конечно, такой подход при интенсивной работе с дискетами надоедает. Но есть утилита automount, которая облегчает Вам жизнь.

Для выполнения операций монтирования и демонтирования требуется наличие прав доступа пользователя root. Причин к тому много, но главное то, что разрешение монтировать кому угодно что угодно приведет к появлению ловушек для администратора. Например, загрузки с дискеты программы /bin/sh с правами root... Однако, многие пользователи довольно часто работают с дисководом и для решения этой проблемы существует несколько способов:

• Сообщить всем пароль пользователя root. Это самый простой, но далеко не лучший выход. Он может использоваться на некоторых системах, не нуждающихся в защите (обычно не подключенных к какой-либо сети). Правда, я пока не видел таких Linux-систем...

• Применять какую-либо программу (например, sudo), позволяющую всем использовать команду mount. Это также не лучший способ по причине плохой защиты, хотя его применение не предоставляет напpямую права root каждому пользователю.

• Применение пакета mtools, используемого только для работы с файловой системой MS-DOS без выполнения операции монтирования. Используется только в тех случаях, когда дисковод применяется для работы с дисками системы MS-DOS.

• Поместить список файлов устройств, используемых при работе с гибкими дисками, и доступных узлов монтирования вместе с нужными опциями в файл /etc/fstab..

/dev/fd0            /floppy      msdos   user,noauto      0     0

Опция noauto запрещает автоматическое монтирование при начальной загрузке системы. Команда mount -a не смонтирует такую файловую систему. Опция user позволяет любому пользователю монтировать указанную файловую систему и, по причине защиты системы, запрещает выполнение программ и работу с файлами устройств, расположенных на смонтированной системе. После этого, любой пользователь может выполнить следующую команду:

$ mount /floppy
$

Если нужно работать с дискетами, имеющими различные типы файловой системы, создайте разные точки монтирования. Опции для каждой точки будут своими. Например, для обеспечения работы с дискетами в форматах MS-DOS и ext2 внесите в /etc/fstab строки:

/dev/fd0    /dosfloppy    msdos   user,noauto  0  0
/dev/fd0    /ext2floppy   ext2    user,noauto  0  0

Проверка целостности с применением fsck

Файловые системы это достаточно сложные объекты, поэтому иногда их функционирование нарушается. Для проверки целостности и работоспособности файловой системы используется команда fsck. Наиболее часто возникающие тpудности связаны с перебоями в питании, неполадках в оборудовании или ошибках оператора (например, некорректное выключение системы).

Большинство систем сконфигурировано таким образом, что команда fsck запускается автоматически при загрузке системы, поэтому возможные неполадки будут обнаружены (и, возможно, исправлены) перед тем, как система будет использоваться. Работа с поврежденной файловой системой может привести к потерям данных и другим нарушениям ее функционирования. Однако, если файловая система довольно большая по объему, то ее проверка может занять некоторое время, а так как неполадки случаются очень редко, то если система была выключена корректно, пpименяются определенные методы для избежания проверки файловой системы. Первый из них связан с тем, что если существует файл /etc/fastboot, то никаких проверок не производится. Второй метод заключается в том, что в файловой системе ext2 существует специальный флаг, раположенный в суперблоке, который используется для выявления коppектности демонтирования системы пpи последнем выключении системы. Эта возможность используется в программе e2fsck (версия команды fsck для файловой системы ext2fs) для избежания излишней проверки файловой системы, если флаг ее целостности установлен (то есть система была коppектно демонтирована). Фунционирование метода, используещего файл /etc/fastboot, зависит от файлов, запускаемых при загрузке системы, в то время как применение команды e2fsck работает в любом случае (см. man-руководство по e2fsck для более подробной информации о такой проверке).

Автоматическая проверка используется только для файловых систем, устанавливаемых во время загрузки. Для проверки других систем команда fsck должна выполняться отдельно.

Если fsck находит неисправность, не подлежащую восстановлению, то могут потребоваться глубокие знания и понимание работы файловых систем и их типов. Также могут потребоваться резервные копии. Некоторую информацию по тем или иным вопросам можно найти через телеконференции, связанные с системой Linux. Также может потpебоваться программа debugfs, созданная Theodore T. Впрочем, как показывает практика, такое бывает редко.

Команда fsck должна использоваться только для демонтированных систем (за исключением системы root, смонтированной в режиме read-only во время загрузки), так как при ее работе используется прямой доступ к диску и информация о внесении каких-либо изменений в файловую систему может быть недоступна операционной системе, что, обычно, приводит к нарушению ее работы.

Поиск дисковых ошибок (бадов) командой badblocks

Периодически следует проводить поиск плохих блоков при помощи команды badblocks. При ее выполнении выводится список номеров найденных плохих блоков. Этот список может быть использован программой fsck для внесения изменений в структуру файловой системы во избежание использования этих блоков для хранения информации. В следующем примере показано как это сделать.

$ badblocks /dev/fd0H1440 1440 > bad-blocks

$ fsck -t ext2 -l bad-blocks /dev/fd0H1440

Parallelizing fsck version 0.5a (5-Apr-94)
e2fsck 0.5a, 5-Apr-94 for EXT2 FS 0.5, 94/03/10
Pass 1: Checking inodes, blocks, and sizes
Pass 2: Checking directory structure
Pass 3: Checking directory connectivity
Pass 4: Check reference counts.
Pass 5: Checking group summary information.

/dev/fd0H1440: ***** FILE SYSTEM WAS MODIFIED *****
/dev/fd0H1440: 11/360 files, 63/1440 blocks
$

Борьба с фрагментацией

Когда файл пишется на диск, он не обязательно будет вписан в соседние блоки. Файл, который записан не в соседние блоки, называется фрагментированным. Система дольше читает фрагментированный файл, поскольку ей требуется большее количество операций позиционирования головок диска. Несколько снижает остроту проблемы использование буфера упреждающего чтения: система прогнозирует, какие именно данные ей понадобятся, и читает их в буфер до получения реального запроса на их чтение.

Файловая система ext2 пытается уменьшить фрагментацию, храня все блоки в файле близко друг к другу, даже если они не могут быть сохранены в последовательных секторах. Ext2 действительно всегда распределяет свободный блок, который является самым близким к другим блокам в файле. Для ext2, следовательно редко нужно беспокоиться относительно фрагментации. Имеется программа для дефрагментации файловой системы ext2, но необходимость в ней бывает редко.

Имеется много MS-DOS программ дефрагментации, которые перемещают блоки в файловой системе, чтобы удалить фрагментацию. В последнее время программы сильно поумнели: например, файлы, которые редко нужны, сдвигаются в конец диска, а часто используемые в начало. Для других файловых систем дефрагментация может быть выполнена путем резервирования, пересоздания файловой системы и восстановления файлов из резервных копий, что больше похоже на стрельбу из пушки по воробьям. Однако, резервирование файлов является рполезным, поскольку при дефрагментации всегда есть вероятность, хоть и очень маленькая, потери данных.

Другие вспомогательные средства для всех файловых систем

Есть ряд простых утилит для управления файловыми системами. df показывает свободное место на диске для одной или нескольких файловых систем. du показывает как именно используется диск (размеры файлов и каталогов).

sync принудительно записывает все оставшиеся в буфере блоки (см. раздел Кэш-буфер в главе 5) на диск. Прроцесс-демон update вызывает его автоматически. sync часто помогает избежать крупных проблем, например, если update или его вспомогательный процесс bdflush повис, или если Вы должны выключить питание сейчас и не можете ждать, пока сработает update.

Другие вспомогательные средства для файловой системы ext2

В дополнение к программе создания файловой системы ( mke2fs) и программе для ее проверки (e2fsck) файловая система ext2 имеет еще ряд полезных утилит.

tune2fs настраивает тонкие параметры файловой системыa, Вот некоторые из них:

• Максимальный счетчик монтирования. e2fsck выполняет проверку файловой системы после исчерпания данного счетчика, даже если установлен флаг целостности файловой системы. Если Вы занимаетесь разработкой, может быть полезным увеличить данный лимит.

• Максимальное время между проверками. e2fsck может также иметь максимальное время между двумя проверками, даже если установлен флаг целостности файловой системы и не выбран лимит количества монтирований. Эта опция может быть заблокировано.

• Число блоков, зарезервированных для root. Ext2 резервирует несколько блоки для root так, что если файловая система заполняется, все еще возможно администрирование без того, чтобы удалить что-нибудь. Зарезервированное количество по умолчанию 5 процентов, что на большинстве дисков не является расточительным. Однако, для дискет нет никакого смысла в резервировании хотя бы одного блокоа.

dumpe2fs выводит сведения о файловой системе ext2, обычно из суперблока. Ниже показан типовой вывод. Часть информации в выводе техническая, и требует понимания того, как работает файловая система, но многое легко понять даже новичков-администраторов.

dumpe2fs 0.5b, 11-Mar-95 for EXT2 FS 0.5a, 94/10/23
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Inode count:              360
Block count:              1440
Reserved block count:     72
Free blocks:              1133
Free inodes:              326
First block:              1
Block size:               1024
Fragment size:            1024
Blocks per group:         8192
Fragments per group:      8192
Inodes per group:         360
Last mount time:          Tue Aug  8 01:52:52 1995
Last write time:          Tue Aug  8 01:53:28 1995
Mount count:              3
Maximum mount count:      20
Last checked:             Tue Aug  8 01:06:31 1995
Check interval:           0
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)

Group 0:
  Block bitmap at 3, Inode bitmap at 4, Inode table at 5
  1133 free blocks, 326 free inodes, 2 directories
  Free blocks: 307-1439
  Free inodes: 35-360

debugfs является отладчиком файловой системы. Он дает прямой доступ к структурам данных файловой системы, сохраненным на диске, и может использоваться для ремонта диска, который так поврежден, что fsck не может отремонтировать его автоматически. Он также может использоваться, чтобы восстановить удаленные файлы. Однако, debugfs очень требует того, чтобы Вы понимали то, что вы делаете; сбой может уничтожить все Ваши данные... Кто работал с программой Disk Editor в DOS меня поймет.

dump и restore могут использоваться для резервирования и восстановления файловой системы ext2. Они являются специфические версиями для ext2 традиционных для UNIX инструментальных средств. См. главу 10 для подробностей по резервированию.