Внутреннее устройство Linux

Есть одно небольшое исключение. У корневого дескриптора inode 2 счетчик ссылок равен 4. Однако на рис. 4.5 показаны только три ссылки на записи каталогов. «Четвертая» ссылка находится в суперблоке файловой системы, поскольку именно он указывает, где отыскать корневой дескриптор inode.

Не бойтесь экспериментировать со своей системой. Создание структуры каталогов с последующим применением команды ls -i или stat для исследования различных частей является безопасным. Вам не придется выполнять перезагрузку системы (если только вы не смонтировали новую файловую систему).

Тем не менее один фрагмент еще отсутствует: каким образом файловая система при назначении блоков из пула данных для нового файла узнает о том, какие блоки использованы, а какие свободны? Один из самых простых способов состоит в применении дополнительной структуры управления данными, которая называется битовой картой блоков. В этой схеме файловая система резервирует последовательность байтов, в которой каждый бит соответствует одному блоку в пуле данных. Если бит равен 0, это означает, что данный блок свободен, а если 1, то блок используется. Таким образом, в основу распределения блоков положено переключение состояния битов.

Проблемы в файловой системе возникают тогда, когда данные из таблицы дескрипторов inode не соответствуют данным о размещении блоков или когда счетчики ссылок неверные; это может произойти, если работа системы была завершена некорректно. Тогда при проверке файловой системы (как было рассказано в подразделе 4.2.11) команда fsck будет просматривать таблицу дескрипторов inode и структуру каталогов, чтобы определить новые счетчики ссылок и создать новую карту размещения блоков (такую как битовая карта блоков), после чего она сравнит только что созданные данные с файловой системой на диске. Если обнаружатся несоответствия, команда fsck должна исправить счетчики ссылок и определить, как поступить с теми дескрипторами inode и/или данными, которые не были обнаружены при просмотре структуры каталогов. Большинство команд fsck помещает такие «осиротевшие» новые файлы в каталог lost+found.

4.5.2. Работа с файловыми системами в пространстве пользователя

При работе с файлами и каталогами в пространстве пользователя вы можете не беспокоиться о том, как это реализовано на нижнем уровне. От вас ожидают, что доступ к содержимому файлов и каталогов смонтированной файловой системы будет осуществляться с помощью системных вызовов ядра. Любопытно, что при этом у вас все же есть доступ к определенной системной информации, которая не очень вписывается в пространство пользователя, в частности, системный вызов stat возвращает номера дескрипторов inode и счетчики ссылок.

Если вы не заняты обслуживанием файловой системы, следует ли волноваться насчет дескрипторов inode и счетчиков ссылок? Как правило, нет. Эти данные доступны для команд из пространства пользователя в основном в целях обратной совместимости. К тому же не все файловые системы, доступные в Linux, располагают необходимой для них «начинкой». Слой интерфейса VFS обеспечивает то, что системные вызовы всегда возвращают значения дескрипторов inode и счетчиков ссылок, однако такие числа не обязаны что-либо значить.

В нетрадиционных файловых системах вы можете быть лишены возможности выполнять обычные для Unix операции с файловой системой. Например, нельзя использовать команду ln, чтобы создать жесткую ссылку в смонтированной файловой системе VFAT, поскольку в ней совершенно другая структура записей о каталогах.

Системные вызовы, которые доступны в пространстве пользователя Unix/Linux, обеспечивают достаточный уровень абстракции для безболезненного доступа к файлам: вам не обязательно знать что-либо о том, как он реализован, чтобы работать с файлами. Более того, гибкий формат имен файлов и поддержка использования разного регистра символов облегчают возможность применения других файловых систем с иерархической структурой.

Помните о том, что ядро не обязано поддерживать специфические файловые системы. В файловых системах с пространством пользователя ядро лишь выступает в роли проводника для системных вызовов.

4.5.3. Эволюция файловых систем

Даже в самой простой файловой системе имеется множество различных компонентов, требующих обслуживания. В то же время предъявляемые к файловым системам требования неуклонно возрастают по мере появления новых задач, технологий и возможностей хранения данных. Нынешний уровень производительности, целостности данных и требований безопасности намного превосходит ранние реализации файловых систем, поскольку технология файловых систем постоянно меняется. Мы уже упоминали в качестве примера о Btrfs — файловой системе нового поколения (см. подраздел 4.2.1).

Одним из примеров того, как изменяются файловые системы, является использование новыми файловыми системами раздельных структур данных для представления каталогов и имен файлов, а не дескрипторов inode, описанных здесь. Они по-другому ссылаются на блоки данных. Кроме того, в процессе развития находятся файловые системы, оптимизированные для дисков SSD. Постоянные изменения в развитии файловых систем являются нормой, однако имейте в виду, что эволюция файловых систем не изменяет их предназначения.

5. Как происходит загрузка ядра Linux

Теперь вы знаете о физической и логической структуре системы Linux, что такое ядро и как работать с процессами. В этой главе вы получите информацию о том, как ядро начинает работу или загружается, иначе говоря, как ядро перемещается в память до того момента, где начинается первый пользовательский процесс.

Упрощенная схема процесса загрузки выглядит так.

1. Система BIOS или прошивка загрузки загружают и запускают загрузчик си­стемы.

2. Загрузчик системы отыскивает образ ядра на диске, загружает его в память и запускает.

3. Ядро выполняет инициализацию устройств и их драйверов.

4. Ядро монтирует корневую файловую систему.

5. Ядро запускает команду init с идентификатором процесса 1. Эта точка является началом пространства пользователя.

6. Команда init приводит в действие остальные системные процессы.

7. В определенный момент команда init запускает процесс, позволяющий вам войти в систему. Обычно это происходит в конце или незадолго до окончания загрузки системы.

В этой главе рассмотрены шаги с первого по четвертый, основное внимание уделено загрузчикам ядра и системы. В главе 6 продолжается рассказ о загрузке пространства пользователя.

Способность определять каждую стадию процесса загрузки окажется неоценимой, когда вам придется устранять проблемы при загрузке, а также поможет понять систему в целом. Однако принятый по умолчанию режим загрузки во многих версиях Linux зачастую затрудняет (если не делает невозможным) идентификацию некоторых первых этапов, и вам, вероятно, удастся посмотреть на них только по их завершении, после входа в систему.