Linux программирование в примерах - Арнольд Роббинс

Файловая система (filesystem)

Раздел (физический или логический), содержащий данные файла и служебные данные (metadata), информацию о файлах (в противоположность содержимому файла, которое является информацией в файле). Такие служебные данные включают владельца файла, права доступа, размер и т.д., а также информацию, использующуюся операционной системой при поиске содержимого файла. Файловые системы размещаются «в» разделах (соотношение одни к одному) посредством записи в них стандартной информации. Это осуществляется программой уровня пользователя, такой, как mke2fs в GNU/Linux или newfs в Unix. (Команда Unix mkfs создает разделы, но ее трудно использовать, непосредственно, newfs вызывает ее с нужными параметрами. Если ваша система является системой Unix, подробности см. в справочных страницах для newfs(8) и mkfs(8).)

Большей частью GNU/Linux и Unix скрывают наличие файловых систем и разделов. (Дополнительные подробности приведены в разделе 8.1 «Монтирование и демонтирование файловых систем».) Доступ ко всему осуществляется через пути, безотносительно к тому, на каком диске расположен файл. (Сравните это с почти любой коммерческой операционной системой, такой, как OpenVMS, или с поведением по умолчанию любой системы Microsoft.)

Индекс (inode)

Сокращение от 'index node' (индексный узел), первоначально сокращалось 'i-node', а теперь пишется 'inode'. Небольшой блок информации, содержащий все сведения о файле, за исключением имени файла. Число индексов и, следовательно, число уникальных файлов в файловой системе, устанавливается и делается постоянным при создании файловой системы. Команда 'df -i' может показать, сколько имеется индексов и сколько из них используется.

Устройство (device)

В контексте файлов, файловых систем и служебных данных файлов, уникальный номер, представляющий используемую («смонтированную») файловую систему. Пара (устройство, индекс) однозначно идентифицирует файл: два различных файла будут гарантированно иметь различные пары (устройство, индекс). Более подробно это обсуждается далее в этой главе.

Каталог (directory)

Специальный файл, содержащий список пар (индекс, имя). Каталоги могут быть открыты для чтения, но не для записи; все изменения в содержимом каталога делает операционная система.

Концептуально каждый дисковый блок содержит либо некоторое число индексов, либо данные файла. Индекс, в свою очередь, содержит указатели на блоки, содержащие данные файла. См. рис. 5.1.

Рис. 5.1. Концептуальное представление индексов и блоков данных

На рисунке показаны все блоки индексов перед разделом и блоки данных после них. Ранние файловые системы Unix были организованы именно таким способом. Однако, хотя все современные системы до сих пор содержат индексы и блоки данных, их организация для повышения эффективности и устойчивости была изменена. Детали меняются от системы к системе, и даже в рамках систем GNU/Linux имеется множество разновидностей файловых систем, но концепция остается той же самой.

5.1.2. Содержимое каталога

Каталоги устанавливают связь между именем файла и индексом. Элементы каталога содержат номер индекса и имя файла. Они содержат также дополнительную учетную информацию, которая нам здесь не интересна. См. рис. 5.2.

Рис. 5.2. Концептуальное содержание каталога

На ранних Unix-системах были двухбайтные номера индексов, а имена файлов — до 14 байтов. Вот полное содержание файла V7 /usr/include/sys/dir.h:

#ifndef DIRSIZ

#define DIRSIZ 14

#endif

struct direct {

 ino_t d_ino;

 char d_name[DIRSIZ];

};

ino_t определен в V7 <sys/types.h> как 'typedef unsigned int into_t;'. Поскольку на PDP-11 int является 16-разрядным, таким же является и ino_t. Такая организация упрощала непосредственное чтение каталогов; поскольку размер элемента был фиксирован, код был простым. (Единственно, за чем нужно было следить, это то, что полное 14-символьное d_name не завершалось символом NUL.)

Управление содержанием каталога для системы также было простым. Когда файл удалялся из каталога, система заменяла номер индекса двоичным нулем, указывая, что элемент каталога не используется. Новые файлы могли потом использовать пустой элемент повторно. Это помогало поддерживать размер самих файлов каталогов в приемлемых рамках. (По соглашению, номер индекса 1 не используется; первым используемым индексом всегда является 2. Дополнительные сведения приведены в разделе 8.1 «Монтирование и демонтирование файловых систем».)

Современные системы предоставляют длинные имена файлов. Каждый элемент каталога имеет различную длину, с обычным ограничением для компонента имени файла каталога в 255 байтов. Далее мы увидим, как читать на современных системах содержимое каталога. Также в современных системах номера индексов 32 (или даже 64!) разрядные.

5.1.3. Прямые ссылки

Когда файл создается с помощью open() или creat(), система находит не использующийся индекс и присваивает его новому файлу. Она создает для файла элемент каталога с именем файла и номером индекса. Опция -i команды ls отображает номер индекса.

$ echo hello, world > message /* Создать новый файл */

$ ls -il message /* Показать также номер индекса */

228786 -rw-r--r-- 1 arnold devel 13 May 4 15:43 message

Поскольку элементы каталога связывают имена файлов с индексами, у одного файла может быть несколько имен. Каждый элемент каталога, ссылающийся на один и тот же индекс, называется ссылкой (link) или прямой ссылкой (hard link) на файл. Ссылки создаются с помощью команды ln. Она используется следующим образом: 'ln старый_файл новый_файл'.

$ ln message msg /* Создать ссылку */

$ cat msg /* Показать содержание нового имени */

hello, world

$ ls -il msg message /* Показать номера индексов */

228786 -rw-r--r-- 2 arnold devel 13 May 4 15:43 message

228786 -rw-r--r-- 2 arnold devel 13 May 4 15:43 msg

Вывод показывает, что номера индексов двух файлов одинаковые, а третье поле расширенного вывода теперь равно 2. Это поле показывает счетчик ссылок, указывающий, сколько имеется ссылок (элементов каталога, ссылающихся на данный индекс) на данный файл.

Нельзя не подчеркнуть: прямые ссылки все относятся к одному и тому же файлу. Если вы измените один файл, изменятся и все остальные:

$ echo "Hi, how ya doin' ?" > msg /* Изменить файл через новое имя */

$ cat message /* Показать содержание через старое имя */

Hi, how ya doin' ?

$ ls -il message msg /* Отобразить сведения. Размер изменился */

228786 -rw-r--r-- 2 arnold devel 19 May 4 15:51 message

228786 -rw-r--r-- 2 arnold devel 19 May 4 15:51 msg

Хотя мы создали две ссылки на один файл в одном каталоге, прямые ссылки не обязательно должны находиться в одном и том же каталоге; они могут находиться в любом каталоге в той же самой файловой системе. (Несколько подробнее это обсуждается в разделе 5.1.6 «Символические ссылки».)

Вдобавок, вы можете создать ссылку на файл, который вам не принадлежит, если у вас есть право записи в каталоге, в котором вы создаете ссылку. (Такой файл сохраняет все атрибуты первоначального файла: владельца, права доступа и т.д. Это потому, что это и есть оригинальный файл; просто он получил дополнительное имя.) Код уровня пользователя не может создать прямую ссылку на каталог.

После удаления ссылки создание еще одного файла с прежним именем создает новый файл:

$ rm message /* Удалить старое имя */

$ echo "What's happenin?" > message /* Повторно использовать имя */

$ ls -il msg message /* Отобразить сведения */

228794 -rw-r--r-- 1 arnold devel 17 May 4 15:58 message

228786 -rw-r--r-- 1 arnold devel 19 May 4 15:51 msg

Обратите внимание, что теперь счетчик ссылок каждого из файлов равен 1. На уровне С ссылки создаются с помощью системного вызова link():

#include <unistd.h> /* POSIX */

int link(const char *oldpath, const char *newpath);

При успешном создании ссылки возвращается 0, в противном случае (-1), при этом errno отражает ошибку. Важным-случаем ошибки является тот, когда newpath уже существует. Система не удалит его для вас, поскольку попытка сделать это может вызвать несовместимости в файловой системе.

5.1.3.1. Программа GNU link

Программа ln сложная и большая. Однако, GNU Coreutils содержит несложную программу link, которая просто вызывает link() со своими двумя аргументами. Следующий пример показывает код из файла link.с, не относящиеся к делу части удалены. Номера строк относятся к действительному файлу.