Внутреннее устройство Linux

# blockdev —rereadpt /dev/sdf

На данный момент вы знаете все необходимое о работе с разделами дисков. Если вам интересно изучить некоторые дополнительные подробности о дисках, продолжайте чтение. В противном случае переходите к разделу 4.2, чтобы узнать о размещении файловой системы на диске.

4.1.3. Диск и геометрия раздела

Любое устройство с подвижными частями добавляет сложностей в систему программного обеспечения, поскольку физические элементы сопротивляются абстрагированию. Жесткие диски не являются исключением. Хоть и возможно представлять жесткий диск как блочное устройство с произвольным доступом к любому блоку, возникают серьезные последствия для производительности, если вы не позаботились о том, как располагаются данные на диске. Рассмотрим физические свойства простого диска с одной пластиной, изображенного на рис. 4.3.

Диск состоит из вращающейся на шпинделе пластины, а также головки, которая прикреплена к подвижному кронштейну, который может перемещаться вдоль радиуса диска. Когда диск вращается под головкой, последняя считывает данные. Когда кронштейн расположен в определенной позиции, головка может считывать данные только с одной окружности. Эта окружность называется цилиндром, поскольку у больших дисков несколько пластин, которые надеты на один шпиндель и вращаются вокруг него. Каждая пластина может иметь одну или две головки, для верхней и/или нижней части пластины, причем все головки крепятся на одном кронштейне и перемещаются совместно. Поскольку кронштейн двигается, на диске есть много цилиндров, от самых малых около центра диска до самых больших по его краям. Наконец, цилиндр можно разделить на доли, называемые секторами. Такой способ представления геометрии диска называется CHS (cylinder-head-sector, цилиндр-головка-сектор).

Рис. 4.3. Жесткий диск, вид сверху

примечание

Дорожка является частью цилиндра, к которой имеет доступ одна головка, поэтому на рис. 4.3 цилиндр является также и дорожкой.

Ядро и различные программы для работы с разделами могут сообщить вам о том, что из себя представляет диск как совокупность цилиндров (и секторов, которые являются частями цилиндров). Однако для современных жестких дисков сообща­емые значения являются фиктивными! Традиционная схема адресации, которая использует параметры CHS, не вписывается в современное аппаратное обеспечение жестких дисков. Она также не принимает в расчет тот факт, что в одних цилиндрах можно разместить больше данных, чем в других. Дисковые аппаратные средства поддерживают блочную адресацию LBA (Logical Block Addressing), чтобы просто обращаться к какому-либо месту диска по номеру блока. Однако следы системы CHS еще присутствуют. Например, таблица разделов MBR содержит информацию CHS, а также ее LBA-эквивалент, и некоторые загрузчики системы по-прежнему довольно глупы, чтобы доверять значениям CHS (но не беспокойтесь — в большинстве загрузчиков Linux используются значения LBA).

Тем не менее понятие о цилиндрах оказалось важным для работы с разделами, поскольку цилиндры являются идеальными границами для разделов. Чтение потока данных с цилиндра происходит очень быстро, так как головка может непрерывно считывать данные по мере вращения диска. Раздел, который организован как набор смежных цилиндров, также позволяет получить быстрый доступ к данным, поскольку головке не приходится перемещаться слишком далеко между цилиндрами.

Некоторые программы для работы с разделами выражают недовольство, если вы не размечаете разделы точно по границам цилиндров. Игнорируйте это. Вы мало чем сможете помочь, поскольку значения CHS для современных дисков попросту недостоверны. Схема LBA гарантирует вам то, что разделы окажутся именно там, где вы предполагали.

4.1.4. Твердотельные накопители (диски SSD)

Устройства хранения без движущихся частей, такие как твердотельные накопители (SSD), совершенно отличны от вращающихся дисков, если говорить о характеристиках доступа к данным. Для них произвольный доступ не является проблемой, так как отсутствует перемещающаяся вдоль пластины головка. Однако некоторые факторы отражаются на производительности.

Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на производительность дисков SSD, является выравнивание разделов. Когда вы считываете данные с диска SSD, чтение происходит фрагментарно — как правило, порциями по 4096 байт за один прием, — причем такое чтение должно начинаться с числа, кратного этому размеру. Поэтому, если раздел и данные в нем не располагаются в пределах 4096-байтной зоны, вам может понадобиться выполнить две небольшие операции чтения вместо одной, например чтения содержимого каталога.

Многие утилиты для работы с разделами (например, parted и gparted) содержат средства для размещения вновь созданных разделов с правильными отступами от начала диска, и вам никогда не придется беспокоиться о неверном выравнивании разделов. Однако, если вам любопытно узнать, где начинаются ваши разделы, чтобы убедиться в том, что они начинаются от границ, можно легко это выяснить, заглянув в каталог /sys/block. Вот пример раздела для устройства /dev/sdf2:

$ cat /sys/block/sdf/sdf2/start

1953126

Этот раздел начинается на расстоянии 1 953 126 байт от начала диска. Поскольку это число не делится нацело на 4096, работа с таким разделом не достигала бы оптимальной производительности, если бы он был расположен на диске SSD.

4.2. Файловые системы

Последним звеном между ядром и пространством пользователя для дисков обычно является файловая система. С ней вы привыкли взаимодействовать, когда запускали такие команды, как ls и cd. Как отмечалось ранее, файловая система является разновидностью базы данных; она поддерживает структуру, призванную трансформировать простое блочное устройство в замысловатую иерархию файлов и подкаталогов, которую пользователи способны понять.

В свое время файловые системы, располагавшиеся на дисках и других физических устройствах, использовались исключительно для хранения данных. Однако древовидная структура каталогов, а также интерфейс ввода-вывода довольно гибки, поэтому теперь файловые системы выполняют множество задач, например роль системных интерфейсов, которые вы можете увидеть в каталогах /sys и /proc. Файловые системы традиционно реализованы внутри ядра, однако инновационный протокол 9P из операционной системы Plan 9 способствовал разработке файловых систем в пространстве пользователя. Функция FUSE (File System in User Space, файловая система в пространстве пользователя) позволяет применять такие файловые системы в Linux.

Слой абстракции VFS (виртуальная файловая система) завершает реализацию файловой системы. Во многом подобно тому, как подсистема SCSI стандартизирует связь между различными типами устройств и управляющими командами ядра, слой VFS обеспечивает поддержку стандартного интерфейса всеми реализациями файловых систем, чтобы приложения из пространства пользователя одинаковым образом обращались с файлами и каталогами. Виртуальная файловая система позволяет Linux поддерживать невообразимо большое число файловых систем.

4.2.1. Типы файловых систем

В Linux включена поддержка таких файловых систем, как «родные» разработки, оптимизированные для Linux, «чужеродные» типы, например семейство Windows FAT, универсальные файловые системы вроде ISO 9660 и множество других. В приведенном ниже списке перечислены наиболее распространенные типы файловых систем для хранения данных. Имена типов систем, как их определяет Linux, приведены в скобках после названия файловых систем.

• Четвертая расширенная файловая система (ext4) является текущей реализацией в линейке «родных» для Linux файловых систем. Вторая расширенная файловая система (ext2) долгое время была системой по умолчанию в системах Linux, которые испытывали влияние традиционных файловых систем Unix, таких как файловая система Unix (UFS, Unix File System) и быстрая файловая система (FFS, Fast File System). В третьей расширенной файловой системе (ext3) появился режим журналирования (небольшой кэш за пределами нормальной структуры данных файловой системы) для улучшения целостности данных и ускорения загрузки системы. Файловая система ext4 является дальнейшим улучшением, с поддержкой файлов большего размера по сравнению с допустимым в системах ext2 или ext3, а также большего количества подкаталогов.

Среди расширенных файловых систем присутствует некоторая доля обратной совместимости. Например, можно смонтировать систему ext2 как ext3 или наоборот, а также смонтировать файловые системы ext2 и ext3 как ext4, однако нельзя смонтировать файловую систему ext4 как ext2 или ext3.

• Файловая система ISO 9660 (iso9660) — это стандарт для дисков CD-ROM. Большинство дисков CD-ROM использует какой-либо вариант стандарта ISO 9660.

• Файловые системы FAT (msdos, vfat, umsdos) относятся к системам Microsoft. Простой тип msdos поддерживает весьма примитивное унылое многообразие систем MS-DOS. Для большинства современных файловых систем Windows следует использовать тип vfat, чтобы получить возможность полного доступа из OC Linux. Редко используемый тип umsdos представляет интерес для Linux: в нем есть поддержка таких особенностей Unix, как символические ссылки, которые находятся над файловой системой MS-DOS.