Разработка ядра Linux

Лав Роберт

В ядре нет необходимости поддерживать низкоуровневые детали реализации файловых систем нигде, кроме кода самих файловых систем. Например, рассмотрим следующую простую программу, работающую в пространстве пользователя.

write(f, &buf, len);

Этот системный вызов записывает

len

байт из области памяти по адресу

&buf

в файл, представленный с помощью дескриптора

f

, начиная с текущей позиции файла. Этот системный вызов вначале обрабатывается общей функцией ядра

sys_write

, которая определяет функцию записи в файл для той файловой системы, на которой находится файл, представленный дескриптором

f

. Далее общий системный вызов вызывает найденную функцию, которая является частью реализации файловой системы и служит для записи данных на физический носитель (или для других действий,

которые файловая система выполняет при записи файла). На рис. 12.2 показана диаграмма выполнения операции записи, начиная от пользовательской функции

write

и заканчивая поступлением данных на физический носитель. Далее в этой главе будет показано, как подсистема VFS позволяет достичь необходимой абстракции и какие для этого обеспечиваются интерфейсы.

Рис. 12.2. Схема прохождения данных из пространства пользователя, где вызывается функция

write

, через общий системный вызов VFS, к специфическому методу записи файловой системы и, наконец, поступление на физический носитель

Файловые системы Unix

Исторически так сложилось, что ОС Unix обеспечивает четыре абстракции, связанные с файловыми системами: файлы, элементы каталогов (directory entry), индексы (inode) и точки монтирования (mount point).

Файловая система — это иерархическое хранилище данных определенной структуры. Файловые системы содержат файлы, каталоги и соответствующую управляющую информацию. Обычные операции, которые выполняются с файловыми системами, — это создание (create), удаление (delete) и монтирование (mount). В ОС Unix файловые системы монтируются на определенную точку монтирования в общей иерархии [67] , которая называется пространством имен (namespace). Это позволяет все файловые системы сделать элементами одной древовидной структуры [68] .

67

Сейчас в операционной системе Linux эта иерархическая структура является уникальной для каждого процесса, т.е. каждый процесс имеет свое пространство имен. По умолчанию каждый процесс наследует пространство имен своего родительского процесса, поэтому кажется, что существует одно глобальное пространство имен.

68

В отличие от указания буквы, которая соответствует определенному диску, например С:. В последнем случае пространство имен разбивается на части, которые соответствуют различным устройствам или разделам устройств. Поскольку такое разделение выполняется случайным образом, в качестве представления для пользователя его можно считать не самым идеальным вариантом.

Файл (file) — это упорядоченный поток байтов. Первый байт соответствует началу файла, а последний байт — концу файла. Каждому файлу присваивается удобочитаемое имя, по которому файл идентифицируется как пользователями, так и системой. Обычные файловые операции— это чтение (read), запись (write), создание (create) и удаление (delete).

Файлы помещаются в каталогах (directory). Каталог — это аналог папки, которая обычно содержит связанные между собой файлы. Каталоги могут содержать подкаталоги. В этой связи каталоги могут быть вложены друг в друга и образуют пути (path). Каждый компонент пути называется элементом каталога (directory entry). Пример пути — "

/home/wolfman/foo

". Корневой каталог "

/

", каталоги

home

и

wolfman

, a также файл

fоо

— это элементы каталогов, которые называются dentry. В операционной системе Unix каталоги представляют собой обычные файлы, которые просто содержат список файлов каталога. Так как каталог по отношению к виртуальной файловой системе — это файл, то с каталогами можно выполнять те же операции, что и с файлами.

Unix-подобные операционные системы отличают концепцию файла от любой информации об этом файле (права доступа, размер, владелец, время создания и т.д.). Последняя информация иногда называется метаданнымм файла (file metadata), т.е. данные о данных, и хранится отдельно от файлов в специальных структурах, которые называются индексами (inode). Это сокращенное название от index node (индексный узел), хотя в наши дни термин "inode" используется

значительно чаще.

Вся указанная информация, а также связанная с ней информация о самой файловой системе хранится в суперблоке (superblock). Суперблок — это структура данных, которая содержит информацию о файловой системе в целом. Иногда эти общие данные называются метаданными файловой системы. Метаданные файловой системы содержат информацию об индивидуальных файлах и о файловой системе в целом.

Традиционно файловые системы ОС Unix реализуют эти понятия как структуры данных, которые определенным образом расположены на физических дисках. Например, информация о файлах хранится в индексе, в отдельном блоке диска, каталоги являются файлами, информация по управлению файловой системой хранится централизованно в суперблоке и т.д. Подсистема VFS операционной системы Linux рассчитана на работу с файловыми системами, в которых поддерживаются аналогичные концепции. Не Unix-подобные файловые системы, такие как FAT или NTFS, также работают в ОС Linux, однако их программный код должен обеспечить наличие аналогичных концепций. Например, если файловая система не поддерживает отдельные индексы файлов, то код должен построить в оперативной памяти структуры данных таким образом, чтобы казалось, что такая поддержка работает. Если файловая система рассматривает каталоги как объекты специальных типов, для VFS каталоги должны представляться как обычные файлы. Часто код не файловых систем не в стиле Unix требует выполнять некоторую дополнительную обработку чтобы уложиться в парадигму Unix и требования VFS. Такие файловые системы также поддерживаются, и обычно качество не особенно страдает.

Объекты VFS и их структуры данных

Виртуальная файловая система (VFS) объектно-ориентированна [69] . Общая файловая модель представлена набором структур данных. Эти структуры данных очень похожи на объекты. Так как ядро программируется строго на языке С, то, при отсутствии возможностей прямой поддержки парадигм ООП в языке программирования, структуры данных представляются структурами языка С. Структуры содержат как указатели на элементы данных, так и указатели на функции, которые работают с этими данными.

69

Часто многие этого не замечают и даже отрицают, но тем не менее в ядре много примеров объектно-ориентированного программирования. Хотя разработчики ядра и сторонятся языка C++ и других явно объектно-ориентированных языков программировании (ООП), иногда очень полезно мыслить в терминах объектов. Подсистема VFS — это хороший пример того, как просто и эффективно объектно-ориентированное программирование реализуется на языке С, в котором нет объектно-ориентированных конструкций.

Существуют следующие четыре основных типа объектов VFS.

• Объект суперблок (superblock), который представляет определенную смонтированную файловую систему.

• Объект файловый индекс (inode), который представляет определенный файл.

• Объект элемент каталога (dentry), который представляет определенный элемент каталога.

• Объект файл (file), который представляет открытый файл, связанный с процессом.

Следует обратить внимание, что поскольку подсистема VFS рассматривает каталоги как обычные файлы, то не существует специальных объектов для каталогов. Как рассказывалось ранее, объект dentry представляет компонент пути, который может содержать обычный файл. Другими словами, dentry — это не то же самое, что каталог, а каталог — это то же, что и файл. Все понятно?

Каждый из рассмотренных основных объектов содержит объект operations (операции). Эти объекты описывают методы, которые ядро может применять для основных объектов.

В частности, существуют следующие объекты операций.

• Объект

super_operations

(операции с суперблоком файловой системы) содержит методы, которые ядро может вызывать для определенной файловой системы, как, например,

read_inode

или

sync_fs

.

• Объект

inode_operations

(операции с файловыми индексами) содержит методы, которые ядро может вызывать для определенного файла, как, например,

create

или

link

.

• Объект

dentry_operations

(операции с элементами каталогов) содержит методы, которые ядро может вызывать для определенного элемента каталога, как, например,

d_compare

или

d_delete

.