Linux の仮想ファイル システム: なぜ必要で、どのように機能するのでしょうか? パート1

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仮想ファイル システムは、Linux の哲学で「すべてがファイルである」ということを可能にする、一種の魔法の抽象化として機能します。

ファイルシステムとは何ですか? Linux の最初の貢献者および作者の XNUMX 人の言葉に基づく ロベルタ・ラバ, 「ファイル システムとは、特定の構造に従って組み立てられたデータの階層ストレージです。」 それはともかく、この定義は VFAT (仮想ファイル割り当てテーブル)、Git、および カサンドラ (NoSQLデータベース）。 では、そのようなものを「ファイル システム」と正確に定義するものは何でしょうか?

ファイルシステムの基本

Linux カーネルには、ファイル システムとみなされるエンティティに対して特定の要件があります。 メソッドを実装する必要があります open(), read() и write() 名前を持つ永続オブジェクトの場合。 オブジェクト指向の観点から見ると プログラミング、カーネルは汎用ファイルシステムを抽象インターフェイスとして定義し、これら XNUMX つの大きな関数は「仮想」とみなされ、具体的な定義はありません。 したがって、デフォルトのファイル システム実装は仮想ファイル システム (VFS) と呼ばれます。

上記のコンソールの例からわかるように、エンティティを開いたり、読み取ったり、書き込んだりできる場合、そのエンティティはファイルとみなされます。
VFS 現象は、「すべてがファイルである」という Unix のような観察を強調するだけです。 上の /dev/console の小さな例が、コンソールが実際にどのように動作するかを示しているのが、どれほど奇妙であるか考えてみてください。 この図は、対話型の Bash セッションを示しています。 コンソール（仮想コンソールデバイス）に文字列を送信すると、仮想画面上に文字列が表示されます。 VFS には他にもさらに奇妙な特性があります。 たとえば、次のように検索できます。 彼.

ext4、NFS、/proc などのよく知られたシステムには、C データ構造に次の XNUMX つの重要な関数があります。 ファイル操作。 さらに、特定のファイル システムは、よく知られたオブジェクト指向の方法で VFS 機能を拡張および再定義します。 Robert Love 氏が指摘するように、VFS 抽象化により、Linux ユーザーは内部データ形式を気にすることなく、サードパーティのオペレーティング システムやパイプなどの抽象エンティティとの間でファイルをさりげなくコピーできるようになります。 ユーザー側 (ユーザー空間) では、プロセスはシステム コールを使用して、次のメソッドを使用してファイルからカーネル データ構造にコピーできます。 read() XNUMX つのファイル システムを使用してメソッドを使用する write () データ出力用の別のファイル システム。

基本 VFS タイプに属する関数定義は次のファイルにあります。 fs/*.c カーネルソースコード、サブディレクトリ fs/ 特定のファイル システムが含まれています。 コアには次のようなエンティティも含まれています。 cgroups, /dev и tmpfs、ブートプロセス中に必要となるため、カーネルサブディレクトリで定義されます。 init/。 注目してください cgroups, /dev и tmpfs 「ビッグ XNUMX」関数を呼び出さないでください file_operationsですが、メモリに対して直接読み書きします。
以下の図は、ユーザー空間が Linux システムに一般的にマウントされているさまざまなタイプのファイルシステムにどのようにアクセスするかを示しています。 構造は示されていません pipes, dmesg и POSIX clocks、構造体も実装します file_operations、VFS 層を通じてアクセスされます。

VFS は、システム コールと特定のコンポーネントの実装の間の「ラッパー層」です。 file_operationsなど ext4 и procfs。 機能 file_operations デバイスドライバーまたはメモリアクセスデバイスのいずれかと対話できます。 tmpfs, devtmpfs и cgroups 使ってはいけません file_operationsですが、メモリに直接アクセスします。
VFS の存在により、ファイル システムに関連付けられた基本メソッドをファイル システムの種類ごとに再実装する必要がないため、コードを再利用する機会が得られます。 コードの再利用はソフトウェア エンジニアの間では一般的な習慣です。 ただし、再利用可能なコードに次のものが含まれている場合、 重大な間違い、共通メソッドを継承するすべての実装がそれらの影響を受けます。

/tmp: 簡単なヒント

VFS がシステム上に存在することを検出する簡単な方法は、次のように入力することです。 mount | grep -v sd | grep -v :/、マウントされているすべてのものが表示されます (mounted) ディスク常駐および非 NFS ではないファイルシステム。これはほとんどのコンピュータに当てはまります。 リストされているマウントの XNUMX つ (mounts) VFS は間違いなく /tmp、 正しい？

誰もがそのストレージを知っています / tmp 物理的媒体では、狂気です！ ソース.

なぜ保管することが望ましくないのか /tmp 物理メディア上で? ファイルが /tmp は一時的なものであり、ストレージ デバイスは tmpfs が作成されるメモリよりも低速です。 さらに、物理メディアはメモリよりも上書きされると摩耗しやすくなります。 最後に、/tmp 内のファイルには機密情報が含まれている可能性があるため、再起動するたびにファイルを消去することが重要な機能です。

残念ながら、一部の Linux ディストリビューションのインストール スクリプトは、デフォルトでストレージ デバイス上に /tmp を作成します。 あなたのシステムでも同じことが起こったとしても絶望しないでください。 いくつかの簡単な指示に従ってください アこれを修正するには、メモリが割り当てられていることに注意してください。 tmpfs 他の目的には使用できなくなります。 言い換えれば、巨大な tmpfs とその上に大きなファイルがあるシステムでは、メモリが不足してクラッシュする可能性があります。 もう XNUMX つのヒント: ファイルの編集中 /etc/fstab、改行で終わる必要があることに注意してください。そうでないとシステムが起動しません。

/proc と /sys

ほかに /tmp, Linuxユーザーにとって最も馴染みのあるVFS（仮想ファイルシステム）は、 /proc и /sys。 （/dev 共有メモリに常駐しており、 file_operations）。 なぜこの XNUMX つのコンポーネントなのでしょうか? この問題について調べてみましょう。

procfs カーネルとそれが監視するプロセスのスナップショットを作成します userspace。 で /proc カーネルは、割り込み、仮想メモリ、スケジューラなど、利用可能なものに関する情報を出力します。 そのほか、 /proc/sys コマンドで設定したパラメータが配置されている場所です sysctl、 以下のために利用可能 userspace。 個々のプロセスのステータスと統計はディレクトリに表示されます /proc/.

それは /proc/meminfo は空のファイルですが、貴重な情報が含まれています。

行動 /proc ファイルには、さまざまな VFS ディスク ファイル システムがどのように存在するかを示します。 一方では、 /proc/meminfo コマンドで表示できる情報が含まれています free。 逆に空いてるよ！ どのように機能するのでしょうか? この状況は、次のような有名な記事を彷彿とさせます。 誰も見ていないのに月は存在するのでしょうか？ 現実と量子論」コーネル大学の物理学教授デイビッド・マーミンによって1985年に書かれました。 実際、カーネルはリクエストが行われたときにメモリ統計を収集します。 /proc、実際にはファイル内にあります /proc 誰も見ていないときは何もありません。 言われるように メルミン, 「基本的な量子理論によれば、測定は一般に、測定される特性の既存の値を明らかにしない。」 （そして月についての質問は宿題として考えてください！）
空っぽに見える procfs そこにある情報は動的であるため、それは理にかなっています。 とは少し異なる状況 sysfs。 サイズが XNUMX バイト以上のファイルが何個あるか比較してみましょう。 /proc と /sys.

Procfs にはエクスポートされたカーネル設定というファイルが XNUMX つありますが、これはブートごとに XNUMX 回だけ生成する必要があるため例外です。 一方では、 /sys 大きなファイルが多数あり、その多くはメモリのページ全体を占有します。 通常はファイル sysfs ファイルの読み取りから得られる情報の表とは異なり、数値または行が XNUMX つだけ含まれます。 /proc/meminfo.

目標 sysfs - カーネルが呼び出すものの読み取り/書き込みプロパティを提供します «kobjects» ユーザー空間で。 唯一の目標 kobjects リンクカウントです。kobjectへの最後のリンクが削除されると、システムはそれに関連付けられたリソースを復元します。 それでもないし、 /sys 有名なもののほとんどを占める 「ユーザー空間の安定した ABI」 どんな状況でも誰にもできないコア "壊す"。 これは、sysfs 内のファイルが静的であることを意味するものではなく、不安定なオブジェクトの参照カウントと矛盾します。
カーネルの安定した ABI により、表示される内容が制限されます。 /sys、その特定の瞬間に実際に存在するものではありません。 sysfs でファイルのアクセス許可をリストすると、デバイス、モジュール、ファイルシステムなどの設定がどのように構成可能であるかがわかります。 設定または読み取りが可能です。 論理的な結論は、procfs もカーネルの安定した ABI の一部であるということですが、これは明示的には述べられていません。 ドキュメンテーション.

のファイル sysfs 各エンティティの 0 つの特定のプロパティを記述し、読み取り可能、書き込み可能、​​またはその両方が可能です。 ファイル内の「XNUMX」は、SSD を取り外すことができないことを意味します。

eBPF ツールと bcc ツールを使用して VFS を監視する方法から翻訳の XNUMX 番目の部分を始めましょう。皆さんからのコメントをお待ちしています。伝統的に次のことを歓迎します。 オープンウェビナー9月XNUMX日に私たちの先生が開催します - ウラジミール・ドロズデツキー.

出所： habr.com