Виртуални файлови системи в Linux: защо са необходими и как работят? Част 1

Здравейте всички! Продължаваме да стартираме нови потоци за курсовете, в които вече сте се влюбили и сега бързаме да обявим, че започваме нов набор от курсове „Linux администратор“който ще стартира в края на април. Нова публикация ще бъде датирана за това събитие. С оригиналния материал можете прочетете тук.

Виртуалните файлови системи служат като вид магическа абстракция, която позволява на философията на Linux да каже, че „всичко е файл“.

Какво е файлова система? Въз основа на думите на един от първите сътрудници и автори на Linux Роберта Лава, "Файловата система е йерархично хранилище на данни, събрани според специфична структура." Както и да е, тази дефиниция е еднакво подходяща за VFAT (Virtual File Allocation Table), Git и Касандра (NoSQL база данни). И така, какво точно определя такова нещо като "файлова система"?

Основи на файловата система

Ядрото на Linux има определени изисквания за обект, който може да се счита за файлова система. Трябва да прилага методите open(), read() и write() за постоянни обекти, които имат имена. От обектно-ориентирана гледна точка програмиране, ядрото дефинира обща файлова система като абстрактен интерфейс и тези три големи функции се считат за „виртуални“ и нямат конкретно определение. Съответно изпълнението на файловата система по подразбиране се нарича виртуална файлова система (VFS).

Ако можем да отваряме, четем и пишем в обект, тогава този обект се счита за файл, както можем да видим от примера в конзолата по-горе.
Феноменът VFS само подчертава Unix-подобното наблюдение, че "всичко е файл". Помислете колко странно е, че този малък /dev/console пример по-горе показва как всъщност работи конзолата. Картината показва интерактивна Bash сесия. Изпращането на низ към конзолата (виртуално конзолно устройство) го показва на виртуален екран. VFS има други, още по-странни свойства. Например, той ви позволява да търсите по то.

Познати системи като ext4, NFS и /proc имат три важни функции в C структура от данни, наречена файлови_операции. В допълнение, определени файлови системи разширяват и предефинират функционалността на VFS по познат обектно-ориентиран начин. Както отбелязва Робърт Лав, абстракцията на VFS позволява на потребителите на Linux безгрижно да копират файлове към или от операционни системи на трети страни или абстрактни обекти като тръби, без да се притесняват за техния вътрешен формат на данни. От страна на потребителя (потребителско пространство), използвайки системно повикване, процес може да копира от файл в структури от данни на ядрото, използвайки метода read() една файлова система и след това използвайте метода write () друга файлова система за извеждане на данни.

Дефинициите на функциите, които принадлежат към базовите типове VFS, са във файловете fs/*.c изходния код на ядрото, докато поддиректориите fs/ съдържа определени файлови системи. Ядрото също така съдържа обекти като cgroups, /dev и tmpfs, които са необходими по време на процеса на зареждане и следователно са дефинирани в поддиректорията на ядрото init/. Забележи това cgroups, /dev и tmpfs не извиквайте "големите три" функции file_operations, но директно чете и записва в паметта.
Диаграмата по-долу показва как потребителското пространство осъществява достъп до различните типове файлови системи, обикновено монтирани на Linux системи. Конструкциите не са показани pipes, dmesg и POSIX clocks, които също реализират структурата file_operations, достъпен през VFS слоя.

VFS е "обвиващ слой" между системни извиквания и имплементации на определени file_operationsкато например ext4 и procfs. Функции file_operations може да взаимодейства или с драйвери на устройства, или с устройства за достъп до паметта. tmpfs, devtmpfs и cgroups не използвай file_operations, но има директен достъп до паметта.
Съществуването на VFS осигурява възможността за повторно използване на код, тъй като основните методи, свързани с файловите системи, не трябва да се изпълняват повторно от всеки тип файлова система. Повторното използване на код е обичайна практика сред софтуерните инженери! Въпреки това, ако кодът за многократна употреба съдържа сериозни грешки, всички реализации, които наследяват общи методи, страдат от тях.

/tmp: Прост съвет

Лесен начин да откриете, че VFS присъстват в системата, е да въведете mount | grep -v sd | grep -v :/, което ще покаже всички монтирани (mounted) файлови системи, които не са резидентни на диска и не са NFS, което е вярно за повечето компютри. Един от изброените монтажи (mounts) VFS несъмнено ще /tmp, нали?

Всеки знае това съхранение / tmp на физически носител - безумие! източник.

Защо е нежелателно да се съхранява /tmp на физически носител? Тъй като файловете в /tmp са временни и устройствата за съхранение са по-бавни от паметта, където се създава tmpfs. Освен това физическият носител е по-податлив на износване, когато се презаписва, отколкото паметта. И накрая, файловете в /tmp могат да съдържат поверителна информация, така че изчезването им при всяко рестартиране е съществена функция.

За съжаление, някои скриптове за инсталиране на Linux дистрибуция създават /tmp на устройството за съхранение по подразбиране. Не се отчайвайте, ако това се е случило и с вашата система. Следвайте няколко прости инструкции с Архив на Wikiза да коригирате това и имайте предвид, че паметта, разпределена за tmpfs става недостъпен за други цели. С други думи, система с гигантски tmpfs и големи файлове в нея може да остане без памет и да се срине. Друг съвет: докато редактирате файл /etc/fstab, не забравяйте, че трябва да завършва с нов ред, в противен случай системата ви няма да стартира.

/proc и /sys

Освен това /tmp, VFS (виртуални файлови системи), които са най-познати на потребителите на Linux /proc и /sys, (/dev се намира в споделена памет и няма file_operations). Защо тези два компонента? Нека разгледаме този въпрос.

procfs създава моментна снимка на ядрото и процесите, които следи userspace. В /proc ядрото отпечатва информация за това, което има на разположение, като прекъсвания, виртуална памет и планировчик. Освен това, /proc/sys е мястото, където параметрите, конфигурирани с командата sysctl, достъпен за userspace. Състоянието и статистиката на отделните процеси се показват в директории /proc/.

Тук /proc/meminfo е празен файл, който въпреки това съдържа ценна информация.

поведение /proc показва колко различни могат да бъдат VFS дисковите файлови системи. от една страна, /proc/meminfo съдържа информация, която може да се види с командата free. От друга страна е празно! Как работи? Ситуацията напомня известната статия със заглавие Съществува ли луната, когато никой не я гледа? Реалност и квантова теория"написано от професора по физика от университета Корнел Дейвид Мермин през 1985 г. Факт е, че ядрото събира статистика за паметта, когато се отправи заявка към /proc, а всъщност във файлове /proc няма нищо, когато никой не гледа. Както каза Мермин, "Фундаменталната квантова доктрина казва, че измерването обикновено не разкрива предварително съществуваща стойност на свойството, което се измерва." (И смятайте въпроса за луната за домашна!)
Привидна празнота procfs има смисъл, защото информацията там е динамична. Малко по-различна ситуация с sysfs. Нека сравним колко файла с размер поне един байт има /proc и /sys.

Procfs има един файл, а именно експортираната конфигурация на ядрото, което е изключение, защото трябва да се генерира само веднъж при зареждане. От друга страна, в /sys има много по-големи файлове, много от които заемат цяла страница от паметта. Обикновено файлове sysfs съдържа точно едно число или ред, за разлика от таблиците с информация, получена от четене на файлове като напр /proc/meminfo.

Цел sysfs - предоставя свойства за четене/запис на това, което ядрото извиква «kobjects» в потребителското пространство. Единствената цел kobjects е броене на връзки: когато последната връзка към kobject бъде премахната, системата ще възстанови ресурсите, свързани с нея. Въпреки това, /sys съставлява повечето от известните "стабилен ABI за потребителско пространство" ядро, което никой никога и при никакви обстоятелства не може "почивка". Това не означава, че файловете в sysfs са статични, което би било несъвместимо с преброяването на препратки на нестабилни обекти.
Стабилният ABI на ядрото ограничава това, което може да се появи в /sys, а не това, което действително присъства в този конкретен момент. Изброяването на разрешения за файлове в sysfs дава представа за това как могат да се конфигурират настройките за устройства, модули, файлови системи и т.н. може да се конфигурира или чете. Логичното заключение е, че procfs също е част от стабилния ABI на ядрото, въпреки че това не е изрично посочено в документация.

Файлове в sysfs описват едно конкретно свойство за всеки обект и могат да бъдат четими, записваеми или и двете. „0“ във файла означава, че SSD не може да бъде премахнат.

Нека започнем втората част на превода с това как да наблюдаваме VFS с помощта на инструментите eBPF и bcc, а сега очакваме вашите коментари и традиционно ви каним на отворен уебинар, която ще се проведе от нашия учител на 9 април - Владимир Дроздецки.

Източник: www.habr.com