Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Целостность файловой системы

Значительная часть файловой системы находится в оперативной памяти. А именно, в оперативной памяти расположены суперблок примонтированной системы, метаданные активных файлов (в виде системно-зависимых inode и соответствующих им vnode) даже отдельные блоки хранения данных файлов, временно находящиеся в буферном кэше.

Для операционной системы рассогласование между буферным кэшем и блоками хранения данных отдельных файлов, не приведет к катастрофическим последствиям даже в случае внезапного останова системы, хотя с точки зрения пользователя все может выглядеть иначе. Содержимое отдельных файлов не вносит существенных нарушений в целостность файловой системы.

Другое дело, когда подобные несоответствия затрагивают метаданные файла или другую управляющую информацию файловой системы, например, суперблок. Многие файловые операции затрагивают сразу несколько объектов файловой системы, и если на диске будут сохранены изменения только для части этих объектов, целостность файловой системы может быть существенно нарушена.

Рассмотрим пример создания жесткой связи для файла. Для этого файловой подсистеме необходимо выполнить следующие операции:

1. Создать новую запись в необходимом каталоге, указывающую на inode файла.

2. Увеличить счетчик связей в inode.

Предположим, что аварийный останов системы произошел между первой и второй операциями. В этом случае после запуска в файловой системе будут существовать два имени файла (две записи каталогов), адресующие inode со счетчиком связей di_nlinks, равным 1. Эта ситуация показана на рис. 4.15 (а). Если теперь будет удалено одно из имен, это приведет к удалению файла как такового, т.е. к освобождению блоков хранения данных и inode, поскольку счетчик связей di_nlinks станет равным 0. Оставшаяся запись каталога будет указывать на неразмещенный индексный дескриптор, или inode, адресующий уже другой файл (рис. 4.15, б).

Порядок операций с метаданными может иметь существенное влияние на целостность файловой системы. Рассмотрим, например, предыдущий пример. Допустим, порядок операций был изменен и, как и прежде, останов произошел между первой и второй операциями. После запуска системы файл будет иметь лишнюю жесткую связь, но существующая запись каталога останется правильной. Тем не менее при удалении имени файла фактически файл удален не будет, поскольку число связей останется равным 1 (рис. 4.15, в). Хотя это также является ошибкой, результатом которой является засорение дискового пространства, ее последствия все же менее катастрофичны, чем в первом случае.

Рис. 4.15. Нарушение целостности файловой системы

Ядро выбирает порядок совершения операций с метаданными таким образом, чтобы вред от ошибок в случае аварии был минимальным. Однако проблема нарушения этого порядка все же остается, т.к. драйвер может изменять очередность выполнения запросов для оптимизации ввода/вывода. Единственной возможностью сохранить выбранный порядок является синхронизация операций со стороны файловой подсистемы.

В нашем примере файловая подсистема будет ожидать, пока на диск не будет записано содержимое индексного дескриптора, и только после этого произведет изменения каталога.

Отсутствие синхронизации между образом файловой системы в памяти и ее данными на диске в случае аварийного останова может привести к появлению следующих ошибок:

1. Один блок адресуется несколькими mode (принадлежит нескольким файлам).

2. Блок помечен как свободный, но в то же время занят (на него ссылается onode).

3. Блок помечен как занятый, но в то же время свободен (ни один inode на него не ссылается).

4. Неправильное число ссылок в inode (недостаток или избыток ссылающихся записей в каталогах).

5. Несовпадение между размером файла и суммарным размером адресуемых inode блоков.

6. Недопустимые адресуемые блоки (например, расположенные за пределами файловой системы).

7. "Потерянные" файлы (правильные inode, на которые не ссылаются записи каталогов).

8. Недопустимые или неразмещенные номера inode в записях каталогов. Эти ошибки схематически показаны на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Возможные ошибки файловой системы

Если нарушение все же произошло, на помощь может прийти утилита fsck(1M), производящая исправление файловой системы. Запуск этой утилиты может производиться автоматически каждый раз при запуске системы, или администратором, с помощью команды:

fsck [options] filesystem

где filesystem — специальный файл устройства, на котором находится файловая система.

Проверка и исправление должны производиться только на размонтированной файловой системе. Это связано с необходимостью исключения синхронизации таблиц в памяти (ошибочных) с их дисковыми эквивалентами (исправленными). Исключение составляет корневая файловая система, которая не может быть размонтирована. Для ее исправления необходимо использовать опцию обеспечивающую немедленный перезапуск системы после проведения проверки.

Заключение

В этой главе описана организация файловой подсистемы UNIX. Начав разговор с обсуждения архитектуры традиционных файловых систем UNIX, мы остановились на анализе т.н. виртуальной файловой системы, обеспечивающей единый интерфейс доступа к различным типам физических файловых систем.

Мы также рассмотрели, каким образом происходит доступ процесса к данным, хранящимся в файлах, вплотную подошли к разговору о подсистеме ввода/вывода, который и продолжим в следующей главе.

Глава 5

Подсистема ввода/вывода

Фактическая архитектура ввода/вывода скрыта от прикладного процесса несколькими интерфейсами. Один из них — интерфейс файловой системы был рассмотрен в предыдущей главе. Взаимодействие с удаленными ресурсами обеспечивается сетевыми интерфейсами сокетов или TLI (Transport Layer Interface), которые описываются в главе 6. Однако возможны ситуации, когда прикладному процессу требуется взаимодействие с периферийными устройствами на более низком уровне. Хотя в этом случае роль файловой подсистемы не столь велика, как при работе с обычными файлами, все равно ядро предоставляет процессу унифицированную схему, скрывающую истинную архитектуру того или иного устройства.

В конечном итоге работа всех этих интерфейсов, как высокого уровня, (файловая система), так и более низкого (взаимодействие с физическим устройством), обеспечивается подсистемой ввода/вывода ядра операционной системы.

В данной главе мы ознакомимся с архитектурой этой подсистемы, основным компонентом которой являются драйверы — модули ядра, обеспечивающие непосредственную работу с периферийными устройствами. Поскольку характеристики периферийных устройств значительно различаются, то UNIX использует два основных типа драйверов — символьные и блочные. Как следует из названия, драйверы первого типа обеспечивают обмен сравнительно небольшими объемами данных с устройством, что имеет место при работе, например, с терминалами или принтерами. Драйверы второго типа производят передачу данных блоками, что характерно для дисковых носителей данных. Эти типы драйверов входят в традиционную подсистему ввода/вывода и присутствуют во всех версиях UNIX.

Во второй части главы мы подробно остановимся на архитектуре драйверов подсистемы STREAMS, которая является неотъемлемой частью ядра в версиях UNIX System V. Эти драйверы представляют собой отдельный тип, обладающий такими ценными возможностями, как буферизация и управление потоком данных. К подсистеме STREAMS мы также вернемся в следующей главе при обсуждении архитектуры сетевого доступа в UNIX System V.

Драйверы устройств

Драйверы устройств обеспечивают интерфейс между ядром UNIX и аппаратной частью компьютера. Благодаря этому от остальной части ядра скрыты архитектурные особенности компьютера, что значительно упрощает перенос системы и поддержку работы различных периферийных устройств.

В UNIX существует большое количество драйверов. Часть из них обеспечивает доступ к физическим устройствам, например, жесткому диску, принтеру или терминалу, другие предоставляют аппаратно-независимые услуги. Примером последних могут служить драйверы /dev/kmem для работы с виртуальной памятью ядра /dev/null, представляющий "нулевое" устройство.

В процессе запуска системы ядро вызывает соответствующие процедуры инициализации установленных драйверов. Во многих версиях UNIX эти процедуры выводят на консоль сообщение о том, что драйвер найден, и инициализация прошла успешно, а также параметры драйвера и устройства.

Типы драйверов