Внутреннее устройство Linux

Уорд Брайан

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.

• Тип HFS+ (hfsplus) является стандартом Apple, который используется в большинстве компьютеров Macintosh.

Хотя расширенные файловые системы были абсолютно пригодны для применения обычными пользователями, в технологии файловых систем были произведены многочисленные улучшения, причем такие, что даже система ext4 не может ими воспользоваться в силу требований обратной совместимости. Эти улучшения относятся главным образом к расширяемости системы, как то: очень большое количество файлов, файлы большого объема и другие подобные вещи. Новые файловые системы Linux, такие как Btrfs, находятся в разработке и могут прийти на смену расширенным файловым системам.

4.2.2. Создание файловой системы

Когда вы завершите работу с разделами, которая описана выше (см. раздел 4.1), можно создавать файловую систему. Как и для разделов, это выполняется в пространстве пользователя, поскольку процесс из пространства пользователя может напрямую обращаться к блочному устройству и работать с ним. Утилита mkfs способна создать многие типы файловых систем. Например, можно создать раздел типа ext4 в устройстве /dev/sdf2 с помощью такой команды:

# mkfs -t ext4 /dev/sdf2

Команда mkfs автоматически определяет количество блоков в устройстве и уста­навливает некоторые разумные параметры по умолчанию. Если вы не в полной мере представляете, что делаете, или если не любите читать подробную документацию, не меняйте эти настройки.

При создании файловой системы команда mkfs осуществляет диагностический вывод, включая и тот, который относится к суперблоку. Суперблок является ключевым компонентом, расположенным на верхнем уровне базы данных файловой системы. Он настолько важен, что утилита mkfs создает для него несколько резервных копий на случай утраты оригинала. Постарайтесь записать несколько номеров резервных копий суперблока во время работы команды mkfs, они могут вам понадобиться, когда придется восстанавливать суперблок после ошибки диска (см. подраздел 4.2.11).