Рис. 4.7. Архитектура виртуальной файловой системы
Виртуальные индексные дескрипторы
Дисковый файл обычно имеет связанную с структуру данных, называемую метаданными или inode, где хранятся основные характеристики данного файла и с помощью которой обеспечивается доступ к его данным. Одним из исключений из этого правила является файловая система DOS, в которой структуры файла и его метаданных существенно отличаются от принятых в UNIX. Тем не менее виртуальная файловая система основана на представлении метаданных файла в виде, сходном с традиционной семантикой UNIX. Интерфейсом работы с файлами является vnode (от virtual inode — виртуальный индексный дескриптор).
Первоначально этот интерфейс был разработан в 1984 году фирмой Sun Microsystems для обеспечения требуемой унификации работы с файловыми системами различных типов, в частности, с NFS и ufs (FFS). Сегодня виртуальная файловая система является стандартом в SVR4, хотя ряд других версий UNIX также реализуют подобную архитектуру (например, независимая файловая система SCO UNIX).
Метаданные всех активных файлов (файлов, на которые ссылаются один или более процессов) представлены в памяти в виде in-core inode, в качестве которых в виртуальной файловой системе выступают vnode. Структура данных vnode одинакова для всех файлов, независимо от типа реальной файловой системы, где фактически располагается файл. Данные vnode содержат информацию, необходимую для работы виртуальной файловой системы, а также неизменные характеристики файла, например, такие как тип файла.
Основные поля vnode приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Поля vnode
Поле Описание u_short vflag Флаги vnode u_short v_count Число ссылок на vnode struct filock *v_filocks Блокировки файла struct vfs *v_vfsmountedhere Указатель на подключенную файловую систему, если vnode является точкой монтирования struct vfs *v_vfsp Указатель на файловую систему, в которой находится файл enum vtype v_type Тип vnode: обычный файл, каталог, специальный файл устройства, символическая связь, сокет caddr_t v_data Указатель на данные, относящиеся к реальной файловой системе struct op Операции vnode
Каждый vnode содержит число ссылок v_count, которое увеличивается при открытии процессом файла и уменьшается при его закрытии. Когда число ссылок становится равным нулю, вызывается операция vn_inactive(), которая сообщает реальной файловой системе, что на vnode никто больше не ссылается. После этого файловая система может освободить vnode (и, например, соответствующий ему inode) или поместить его в кэш для дальнейшего использования.
Поле v_vfsp указывает на файловую систему (структуру vfs, о которой мы поговорим в следующем разделе), в которой расположен файл, адресованный данным vnode. Если vnode является точкой монтирования, то поле v_vfsmountednere указывает на подключенную файловую систему, "перекрывающую" данный vnode.
Поле v_data указывает на данные, относящиеся к конкретной реализации реальной файловой системы. Например, для дисковой файловой системы ufs, v_data указывает на запись в таблице in-core inode.
Набор операций над vnode указан полем v_op. В терминах объектно-ориентированного программирования этот набор представляет собой виртуальные методы класса vnode. Он является своего рода шлюзом к реальной файловой системе, позволяя предоставить общий интерфейс виртуальной файловой системы и в то же время обеспечить специфические реализации функций работы с файлами, необходимые для различных типов файловых систем. Некоторые операции, большинство из которых уже знакомы читателю по системным вызовам, приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Операции с vnode виртуальной файловой системы
int (*vn_open)() Открыть vnode. Если операция предусматривает создание клона (размножение), то в результате будет размещен новый vnode. Обычно операции такого типа характерны для специальных файлов устройств. int (*vn_close)() Закрыть vnode. int (*vn_read)() Чтение данных файла, адресованного vnode. int (*vn_write)() Запись в файл, адресованный vnode. int (*vn_ioctl)() Задание управляющей команды. int (*vn_getaddr)() Получить атрибуты vnode: тип vnode, права доступа, владелец-пользователь, владелец-группа, идентификатор файловой системы, номер inode, число связей, размер файла, оптимальный размер блока для операций ввода/вывода, время последнего доступа, время последней модификации, время последней модификации vnode, число занимаемых блоков. int (*vn_setaddr)() Установить атрибуты vnode. Могут быть изменены UID, GID, размер файла и времена доступа и модификации. int (*vn_access)() Проверить права доступа к файлу, адресованному vnode. При этом производится отображение между атрибутами доступа файлов UNIX и атрибутами реальной файловой системы (например, DOS). int (*vn_lookup)() Произвести трансляцию имени файла в соответствующий ему vnode. int (*vn_create)() Создать новый файл и соответствующий ему vnode. int (*vn_remove)() Удалить имя файла в указанном vnode каталоге. int (*vn_link)() Создать жесткую связь между именем файла и vnode. int (*vn_mkdir)() Создать новый каталог в указанном vnode каталоге. int (*vn_rmdir)() Удалить каталог. int (*vn_readdir)() Считать записи каталога, адресованного vnode. int (*vn_symlink)() Создать символическую связь между новым именем и именем файла, расположенном в указанном vnode каталоге. int (*vn_readlink)() Чтение файла — символической связи. int (*vn_fsync)() Синхронизировать содержимое файла — записать все кэшированные данные. int (*vn_inactive)() Разрешить удаление vnode, т.к. число ссылок на vnode из виртуальной файловой системы стало равным нулю.
Взаимосвязь между независимыми дескрипторами (vnode) и зависимыми от реализации метаданными файла показана на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Метаданные файла виртуальной файловой системы
Монтирование файловой системы
Прежде чем может состояться работа с файлами, соответствующая файловая система должна быть встроена в существующее иерархическое дерево.
Только после этого ядро сможет выполнять файловые операции, такие как создание, открытие, чтение или запись в файл. Эта операция встраивания получила название подключения или монтирования файловой системы.
Каждая подключенная файловая система представлена на независимом уровне в виде структуры vfs, аналоге записи таблицы монтирования дисковой файловой системы. Структуры vfs всех подключенных файловых систем организованы в виде односвязного списка, в совокупности обеспечивая информацию, необходимую для обслуживания всего иерархического дерева, а также информацию о реальной файловой системе, которые не изменяются на протяжении работы. Первой записью списка всегда является корневая файловая система. В дальнейшем, список vfs мы будем называть устоявшимся термином — таблица монтирования. Поля структуры vfs приведены в табл. 4.3.
