Внутреннее устройство Linux

Иногда ядро Linux может перевести в область подкачки какой-либо процесс с целью получения дополнительного дискового кэша. Чтобы это предотвратить, администраторы конфигурируют отдельные системы вообще без области подкачки. Например, высокопроизводительным сетевым серверам не следует использовать область подкачки и по возможности избегать обращения к диску.

примечание

Это опасно выполнять для компьютера общего назначения. Если на компьютере полностью будут исчерпаны оперативная память и область подкачки, ядро Linux запускает подавитель OOM (out-of-memory, нехватка памяти), чтобы прервать процесс и освободить некоторое количество памяти. Вы, безусловно, не захотите, чтобы это случилось с вашими приложениями. С другой стороны, высокопроизводительные серверы содержат сложные системы слежения и выравнивания нагрузки, чтобы никогда не оказаться в опасной зоне.

Из главы 8 вы узнаете подробнее о том, как работает система памяти.

4.4. Заглядывая вперед: диски и пространство пользователя

В относящихся к дискам компонентах системы Unix границы между простран­ством пользователя и пространством ядра довольно сложно определить. Как вы уже видели, ядро оперирует блочным вводом-выводом от устройств, а инструменты из пространства пользователя способны использовать блочный ввод-вывод с помощью файлов устройств. Тем не менее пространство пользователя, как правило, применяет блочный ввод-вывод только при инициализации таких операций, как создание разделов, файловых систем и области подкачки. В нормальном режиме пространство пользователя задействует только поддержку файловой системы, которая обеспечивается ядром в верхнем слое блочного ввода-вывода. Подобным образом ядро управляет и множеством мелких деталей, когда оно имеет дело с областью подкачки в системе виртуальной памяти.

В следующей части этой главы вкратце рассказано про внутренние части файловой системы Linux. Это более сложный материал, и вам определенно нет необходимости знать его, чтобы продолжить чтение книги. Переходите к следующей главе, чтобы начать изучение процесса загрузки системы Linux.

4.5. Внутри традиционной файловой системы

Традиционная файловая система Unix содержит два основных компонента: пул блоков данных, где можно хранить данные, и базу данных, которая управляет пулом данных. В основу базы данных положена структура данных inode. Дескриптор inode — это набор данных, который описывает конкретный файл, включая его тип, права доступа и (что, возможно, наиболее важно) расположение его данных в пуле данных. Дескрипторы inode распознаются по номерам, перечисленным в соответствующей таблице.

Имена файлов и каталогов также реализованы в виде дескрипторов inode. Дескриптор каталога содержит перечень имен файлов и соответствующих ссылок на другие дескрипторы.

Чтобы привести реальный пример, я создал новую файловую систему, смонтировал ее и сменил каталог на точку монтирования. После этого добавил несколько файлов и каталогов с помощью таких команд (попробуйте выполнить это самостоятельно на флеш-накопителе):

$ mkdir dir_1

$ mkdir dir_2

$ echo a > dir_1/file_1

$ echo b > dir_1/file_2

$ echo c > dir_1/file_3

$ echo d > dir_2/file_4

$ ln dir_1/file_3 dir_2/file_5

Обратите внимание на то, что я создал каталог dir_2/file_5 в виде жесткой ссылки на каталог dir_1/file_3. Это означает, что данные два имени файлов на самом деле представляют один и тот же файл.

Если вы рассмотрите каталоги в этой файловой системе, то ее содержимое выглядело бы так, как показано на рис. 4.4. Реальная разметка файловой системы, как показано на рис. 4.5, не выглядит настолько ясной, как представление на уровне пользователя.

Рис. 4.4. Представление файловой системы на уровне пользователя

Рис. 4.5. Структура дескрипторов файловой системы, показанной на рис. 4.4

В любой расширенной файловой системе (ext2/3/4) нумерация дескрипторов начинается с 2 — корневого дескриптора inode. Из таблицы дескрипторов на рис. 4.5 можно заметить, что это дескриптор каталога (dir), поэтому можно перейти по стрелке к пулу данных, где вы увидите содержимое корневого каталога: два элемента с именами dir_1 и dir_2, которые соответствуют дескрипторам inode 12 и 7633. Чтобы разобраться с этими элементами, вернитесь в таблицу дескрипторов и посмотрите на любой из них.

Для проверки ссылки dir_1/file_2 в этой файловой системе ядро выполняет следующие действия.

1. Определяет компоненты пути: за каталогом dir_1 следует компонент с именем file_2.

2. Переходит к корневому дескриптору и его данным о каталогах.

3. Отыскивает в данных о каталогах у дескриптора inode 2 имя dir_1, которое указывает на дескриптор с номером 12.

4. Ищет дескриптор inode 12 в таблице дескрипторов и проверяет, является ли он дескриптором каталога.

5. Следует по ссылке дескриптора inode 12 к информации о каталоге (это второй сверху контейнер в пуле данных).

6. Обнаруживает второй компонент пути (file_2) в данных о каталогах дескриптора inode 12. Эта запись указывает на дескриптор inode с номером 14.

7. Отыскивает дескриптор inode 14 в таблице каталогов. Это дескриптор файла.

К этому моменту ядро знает свойства файла и может открыть его, проследовав по ссылке на данные дескриптора inode 14.

Такая система дескрипторов, указывающих на структуры данных каталогов, и структур данных, указывающих на дескрипторы, позволяет создать иерархию файловой системы, к которой вы привыкли. Кроме того, обратите внимание на то, что дескрипторы каталогов содержат записи для текущего каталога (.) и родительского (..), исключая лишь корневой каталог. С их помощью можно легко получить точку отсчета при переходе на уровень выше в структуре каталогов.

4.5.1. Просмотр деталей дескрипторов inode

Чтобы увидеть значения дескриптора для любого каталога, используйте команду ls -i. Вот что получится, если применить ее к корневому каталогу нашего примера. Для получения более детальной информации воспользуйтесь командой stat.

$ ls -i

12 dir_1 7633 dir_2

Теперь вас, вероятно, заинтересует счетчик ссылок. Он уже встречался в результатах работы обычной команды ls -l. Как счетчик ссылок относится к файлам, показанным на рис. 4.5, и, в частности, к «жестко связанному» файлу file_5? Поле со счетчиком ссылок содержит общее количество записей в каталоге (по всем каталогам), которые указывают на дескриптор inode. У большинства файлов счетчик ссылок равен 1, поскольку они появляются лишь один раз среди записей каталога. Этого и следовало ожидать: в большинстве случаев при создании файла вы создаете новую запись в каталоге и соответствующий ей новый дескриптор inode. Однако дескриптор 15 появляется дважды: сначала он создан как дескриптор для файла dir_1/file_3, а затем связан с файлом dir_2/file_5. Жесткая ссылка является лишь созданной вручную записью в каталоге, связанной с уже существующим дескриптором inode. Команда ln (без параметра -s) позволяет вручную создавать новые ссылки.

По этой причине удаление файла иногда называется разъединением. Если запустить команду rm dir_1/file_2, ядро начнет поиск записи с именем file_2 в каталоге дескриптора inode 12. Обнаружив, что file_2 соответствует дескриптору inode 14, ядро удаляет эту запись из каталога, а затем вычитает 1 из счетчика ссылок для дескриптора inode 14. В результате этот счетчик ссылок становится равным 0 и ядро будет знать о том, что с данным дескриптором inode не связаны никакие имена. Следовательно, этот дескриптор и все относящиеся к нему данные можно удалить.

Однако, если запустить команду rm dir_1/file_3, в результате получится, что счетчик ссылок для дескриптора inode 15 изменится с 2 на 1 (поскольку ссылка dir_2/file_5 все еще указывает на него) и ядро узнает о том, что данный дескриптор не следует удалять.

Счетчик ссылок для каталогов устроен во многом так же. Заметьте, что счетчик ссылок дескриптора inode 12 равен 2, поскольку присутствуют две ссылки на этот дескриптор: одна для каталога dir_1 в записях каталога для дескриптора inode 2, а вторая ссылка в собственных записях каталога (.) ведет на саму себя. Если создать новый каталог dir_1/dir_3, счетчик ссылок для дескриптора inode 12 станет равным 3, поскольку новый катлог будет включать запись о родительском каталоге (..), который связан с дескриптором inode 12, подобно тому, как родительская ссылка дескриптора inode 12 указывает на дескриптор inode 2.