Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Поле di_mode хранит несколько атрибутов файла: тип файла (IFREG для обычных файлов, IFDIR для каталогов, IFBLK или IFCHR для специальных файлов блочных и символьных устройств соответственно); права доступа к файлу для трех классов пользователей и дополнительные атрибуты выполнения (SUID, SGID и sticky bit), значения этих атрибутов были подробно рассмотрены в главе 1.

Заметим, что в индексном дескрипторе отсутствует информация о времени создания файла. Вместо этого inode хранит три значения времени: время последнего доступа (di_atime), время последней модификации содержимого файла (di_mtime) и время последней модификации метаданных файла (di_ctime). В последнем случае не учитываются модификации полей di_atime и di_mtime. Таким образом, di_ctime изменяется, когда изменяется размер файла, владелец, группа, или число связей.

Индексный дескриптор содержит информацию о расположении данных файла. Поскольку дисковые блоки хранения данных файла в общем случае располагаются не последовательно, inode должен хранить физические адреса всех блоков, принадлежащих данному файлу.[46] В индексном дескрипторе эта информация хранится в виде массива, каждый элемент которого содержит физический адрес дискового блока, а индексом массива является номер логического блока файла. Массив имеет фиксированный размер и состоит из 13 элементов. При этом первые 10 элементов адресуют непосредственно блоки хранения данных файла. Одиннадцатый элемент адресует блок, в свою очередь содержащий адреса блоков хранения данных. Двенадцатый элемент указывает на дисковый блок, также хранящий адреса блоков, каждый из который адресует блок хранения данных файла. И, наконец, тринадцатый элемент используется для тройной косвенной адресации, когда для нахождения адреса блока хранения данных файла используются три дополнительных блока.

Такой подход позволяет при относительно небольшом фиксированном размере индексного дескриптора поддерживать работу с файлами, размер которых может изменяться от нескольких байтов до десятка мегабайтов. Для относительно небольших файлов (до 10 Кбайт при размере блока 1024 байтов) используется прямая индексация, обеспечивающая максимальную производительность. Для файлов, размер которых не превышает 266 Кбайт (10 Кбайт + 256×1024), достаточно простой косвенной адресации. Наконец, при использовании тройной косвенной адресации можно обеспечить доступ к 16777216 блокам (256×256×256).

Файлы в UNIX могут содержать так называемые дыры. Например, процесс может создать пустой файл, с помощью системного вызова lseek(2) сместить файловый указатель относительно начала файла и записать данные. При этом между началом файла и началом записанных данных образуется дыра — незаполненная область. При чтении этой области процесс получит обнуленные байты. Поскольку логические блоки, соответствующие дыре, не содержат данные, не имеет смысла размещать для них дисковые блоки. В этом случае соответствующие элементы массива адресов inode содержат нулевой указатель. Когда процесс производит чтение такого блока, ядро возвращает последовательность нулей. Дисковые блоки размещаются только при записи в соответствующие логические блоки файла.[47]

Имена файлов

Как мы уже видели, ни метаданные, ни тем более блоки хранения данных, не содержат имени файла. Имя файла хранится в файлах специального типа — каталогах. Такой подход позволяет любому файлу, т. е. фактическим данным, иметь теоретически неограниченное число имен (названий), в файловой системе. При этом несколько имен файлов будут соответствовать одним и тем же метаданным и данным и являться жесткими связями.

Каталог файловой системы s5fs представляет собой таблицу, каждый элемент которой имеет фиксированный размер в 16 байтов: 2 байта хранят номер индексного дескриптора файла, а 14 байтов — его имя. Это накладывает ограничение на число inode, которое не может превышать 65 535. Также ограничена и длина имени файла: его максимальный размер — 14 символов. Структура каталога приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Каталог файловой системы s5fs

Первые два элемента каталога адресуют сам каталог (текущий каталог) под именем "." и родительский каталог под именем "..".

При удалении имени файла из каталога (например, с помощью команды rm(1)), номер inode соответствующего элемента устанавливается равным 0. Ядро обычно не удаляет такие свободные элементы, поэтому размер каталога не уменьшается даже при удалении файлов. Это является потенциальной проблемой для каталогов, в которые временно было помещено большое количество файлов. После удаления большинства из них размер каталога останется достаточно большим, поскольку записи удаленных файлов будут по-прежнему существовать.

Иллюстрацию этого явления в SCO UNIX можно привести, применив команду hd(1M), обеспечивающую вывод неинтерпретированного содержимого файла (шестнадцатеричный дамп).

$ hd .

0000 fc 0a 2e 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

0010 02 00 2е 2е 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

0020 33 72 6d 61 69 6с 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 3rmail

0030 0а 2с 4е 65 77 73 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 .,News

0040 33 7d 2е 6e 65 77 73 72 63 00 00 00 00 00 00 00 3}.newsrc

0050 00 40 62 69 6e 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 [email protected]

0060 da 91 64 65 61 64 2е 6с 65 74 74 65 72 00 00 00 ..dead.letter...

0290 00 00 70 69 6e 65 72 63 30 30 30 37 36 39 00 00 ..pinerc000769..

02a0 00 00 30 35 6e 61 64 75 76 61 2е 6а 70 67 00 00 ..05naduva.jpg..

02b0 00 00 30 36 73 70 75 73 74 69 2е 6а 70 67 00 00 ..06spusti.jpg..

02с0 00 00 30 37 67 75 69 74 61 72 2е 6а 70 67 00 00 ..07guitar.jpg..

02d0 00 00 30 38 73 75 6e 73 65 74 2е 6а 70 67 00 00 ..08sunset.jpg..

02е0 00 00 37 31 72 6f 70 65 73 31 2е 6а 70 67 00 00 ..71ropes1.jpg..

Можно заметить, что имен файлов, расположенных во второй части вывода команды hd(1M) на самом деле не существует — об этом свидетельствуют нулевые значения номеров inode, это же подтверждает вывод команды ls(1):

$ ls -а

.newsrc

bin

dead.letter

News

mail

Недостатки и ограничения

Файловая систем s5fs привлекательна благодаря своей простоте. Однако обратной стороной медали является низкая надежность и производительность.

С точки зрения надежности слабым местом этой файловой системы является суперблок. Суперблок несет основную информацию о файловой системе в целом, и при его повреждении файловая система не может использоваться. Поскольку в файловой системе s5fs суперблок хранится в единственном варианте, вероятность возникновения ошибок достаточно велика.

Относительно низкая производительность связана с размещением компонентов файловой системы на диске. Метаданные файлов располагаются в начале файловой системы, а далее следуют блоки хранения данных. При работе с файлом, происходит обращение как к его метаданным, так и к дисковым блокам, содержащим его данные. Поскольку эти структуры данных могут быть значительно разнесены в дисковом пространстве, необходимость постоянного перемещения головки диска увеличивает время доступа и, как следствие, уменьшает производительность файловой системы в целом. К этому же эффекту приводит фрагментация файловой системы, поскольку отдельные блоки файла оказываются разбросанными по всему разделу диска.

Использование дискового пространства также не оптимально. Для увеличения производительности файловой системы более предпочтительным является использование блоков больших размеров. Это позволяет считывать большее количество данных за одну операцию ввода/вывода. Так, например, в UNIX SVR2 размер блока составлял 512 байтов, а в SVR3 — уже 1024 байтов. Однако поскольку блок может использоваться только одним файлом, увеличение размера блока приводит к увеличению неиспользуемого дискового пространства за счет частичного заполнения последнего блока файла. В среднем для каждого файла теряется половина блока.

Массив inode имеет фиксированный размер, задаваемый при создании файловой системы. Этот размер накладывает ограничение на максимальное число файлов, которые могут существовать в файловой системе. Расположение границы между метаданными файлов и их данными (блоками хранения данных) может оказаться неоптимальным, приводящим либо к нехватке inode, если файловая система хранит файлы небольшого размера, либо к нехватке дисковых блоков для хранения файлов большого размера. Поскольку динамически изменить эту границу невозможно, всегда останется неиспользованное дисковое пространство либо в массиве inode, либо в блоках хранения данных.

Наконец, ограничения, накладываемые на длину имени файла (14 символов) и общее максимальное число inode (65 535), также являются слишком жесткими.

Все эти недостатки привели к разработке новой архитектуры файловой системы, которая появилась в версии 4.2BSD UNIX под названием Berkeley Fast File System, или FSS.