ვირტუალური ფაილური სისტემები Linux-ში: რატომ არის საჭირო და როგორ მუშაობს ისინი? Ნაწილი 1

Სალამი ყველას! ჩვენ ვაგრძელებთ ახალი ნაკადების გაშვებას იმ კურსებისთვის, რომლებიც უკვე შეგიყვარდათ და ახლა გვეჩქარება გამოვაცხადოთ, რომ ვიწყებთ კურსების ახალ კომპლექტს "ლინუქსის ადმინისტრატორი"რომელიც აპრილის ბოლოს დაიწყება. ახალი პუბლიკაცია იქნება დათარიღებული ამ მოვლენისთვის. ორიგინალური მასალით შეგიძლიათ წაიკითხეთ აქ.

ვირტუალური ფაილური სისტემები ერთგვარი ჯადოსნური აბსტრაქციაა, რომელიც Linux-ის ფილოსოფიას საშუალებას აძლევს თქვას, რომ „ყველაფერი ფაილია“.

რა არის ფაილური სისტემა? Linux-ის ერთ-ერთი პირველი კონტრიბუტორისა და ავტორის სიტყვებზე დაყრდნობით რობერტა ლავა, "ფაილის სისტემა არის მონაცემების იერარქიული შენახვა, რომელიც აწყობილია კონკრეტული სტრუქტურის მიხედვით." როგორც არ უნდა იყოს, ეს განმარტება ერთნაირად კარგად შეეფერება VFAT-ს (ვირტუალური ფაილების განაწილების ცხრილს), Git-ს და Cassandra (NoSQL მონაცემთა ბაზა). მაშ, რა განსაზღვრავს ისეთ რამეს, როგორიცაა "ფაილის სისტემა"?

ფაილური სისტემის საფუძვლები

Linux-ის ბირთვს აქვს გარკვეული მოთხოვნები ერთეულისთვის, რომელიც შეიძლება ჩაითვალოს ფაილურ სისტემად. მან უნდა განახორციელოს მეთოდები open(), read() и write() მუდმივი ობიექტებისთვის, რომლებსაც აქვთ სახელები. ობიექტზე ორიენტირებული თვალსაზრისით პროგრამირება, ბირთვი განსაზღვრავს ზოგად ფაილურ სისტემას, როგორც აბსტრაქტულ ინტერფეისს და ეს სამი დიდი ფუნქცია განიხილება "ვირტუალურად" და არ აქვს კონკრეტული განმარტება. შესაბამისად, ნაგულისხმევი ფაილური სისტემის განხორციელებას ეწოდება ვირტუალური ფაილური სისტემა (VFS).

თუ ჩვენ შეგვიძლია გავხსნათ, წავიკითხოთ და ჩავწეროთ ერთეულზე, მაშინ ეს ერთეული განიხილება ფაილად, როგორც ეს ზემოთ მოცემული კონსოლის მაგალითიდან ჩანს.
VFS ფენომენი მხოლოდ ხაზს უსვამს Unix-ის მსგავს დაკვირვებას, რომ „ყველაფერი ფაილია“. დაფიქრდით, რამდენად უცნაურია, რომ ეს პატარა /dev/console მაგალითი გვიჩვენებს, თუ როგორ მუშაობს სინამდვილეში კონსოლი. სურათზე ნაჩვენებია ინტერაქტიული Bash სესია. სტრიქონის გაგზავნა კონსოლში (ვირტუალური კონსოლის მოწყობილობა) აჩვენებს მას ვირტუალურ ეკრანზე. VFS-ს სხვა, კიდევ უფრო უცნაური თვისებები აქვს. მაგალითად, ის საშუალებას გაძლევთ მოძებნოთ მას.

ნაცნობ სისტემებს, როგორიცაა ext4, NFS და /proc, აქვთ სამი მნიშვნელოვანი ფუნქცია C მონაცემთა სტრუქტურაში ე.წ. file_operations. გარდა ამისა, გარკვეული ფაილური სისტემა აფართოებს და ხელახლა განსაზღვრავს VFS ფუნქციონირებას ნაცნობი ობიექტზე ორიენტირებული გზით. როგორც რობერტ ლავი აღნიშნავს, VFS აბსტრაქცია Linux-ის მომხმარებლებს საშუალებას აძლევს დაუფიქრებლად დააკოპირონ ფაილები მესამე მხარის ოპერაციულ სისტემებში ან აბსტრაქტულ ერთეულებზე, როგორიცაა მილები, მათი შიდა მონაცემთა ფორმატზე ფიქრის გარეშე. მომხმარებლის მხარეს (მომხმარებლის სივრცეში), სისტემური ზარის გამოყენებით, პროცესს შეუძლია დააკოპიროს ფაილიდან ბირთვის მონაცემთა სტრუქტურებში მეთოდის გამოყენებით read() ერთი ფაილური სისტემა და შემდეგ გამოიყენეთ მეთოდი write () სხვა ფაილური სისტემა მონაცემთა გამოსატანად.

ფუნქციების განმარტებები, რომლებიც მიეკუთვნება საბაზისო VFS ტიპებს, არის ფაილებში fs/*.c ბირთვის წყაროს კოდი, ხოლო ქვედირექტორიები fs/ შეიცავს გარკვეულ ფაილურ სისტემებს. ბირთვი ასევე შეიცავს ერთეულებს, როგორიცაა cgroups, /dev и tmpfs, რომლებიც საჭიროა ჩატვირთვის პროცესში და ამიტომ განსაზღვრულია ბირთვის ქვედირექტორიაში init/. შეამჩნიე რომ cgroups, /dev и tmpfs არ დავარქვათ "დიდი სამი" ფუნქცია file_operations, მაგრამ პირდაპირ წაიკითხეთ და ჩაწერეთ მეხსიერებაში.
ქვემოთ მოცემული დიაგრამა გვიჩვენებს, თუ როგორ წვდება მომხმარებლის სივრცე Linux სისტემებზე დამონტაჟებულ სხვადასხვა ტიპის ფაილურ სისტემას. სტრუქტურები არ არის ნაჩვენები pipes, dmesg и POSIX clocks, რომლებიც ასევე ახორციელებენ სტრუქტურას file_operations, წვდომა VFS ფენის მეშვეობით.

VFS არის "შეფუთვის ფენა" სისტემურ ზარებსა და გარკვეული განხორციელებებს შორის file_operations, როგორიცაა ext4 и procfs. ფუნქციები file_operations შეუძლია ურთიერთქმედება მოწყობილობის დრაივერებთან ან მეხსიერების წვდომის მოწყობილობებთან. tmpfs, devtmpfs и cgroups არ გამოიყენოთ file_operations, მაგრამ უშუალოდ მეხსიერებაზე წვდომა.
VFS-ის არსებობა იძლევა კოდის ხელახლა გამოყენების შესაძლებლობას, რადგან ფაილურ სისტემებთან დაკავშირებული ძირითადი მეთოდები არ უნდა განმეორდეს თითოეული ტიპის ფაილური სისტემის მიერ. კოდის ხელახალი გამოყენება ჩვეულებრივი პრაქტიკაა პროგრამული უზრუნველყოფის ინჟინრებს შორის! თუმცა, თუ მრავალჯერადი გამოყენების კოდი შეიცავს სერიოზული შეცდომები, ყველა იმპლემენტაცია, რომელიც მემკვიდრეობით იღებს საერთო მეთოდებს, განიცდის მათგან.

/tmp: მარტივი მინიშნება

მარტივი გზა იმის დასადგენად, რომ VFS არის სისტემაში არის აკრეფა mount | grep -v sd | grep -v :/, რომელიც აჩვენებს ყველა დამონტაჟებულს (mounted) ფაილური სისტემები, რომლებიც არ არის დისკის რეზიდენტი და არა NFS, რაც ასეა უმეტეს კომპიუტერებზე. ერთ-ერთი ჩამოთვლილი სამაგრი (mounts) VFS უდავოდ /tmp, არა?

ყველამ იცის ეს საცავი / tmp ფიზიკურ საშუალებებზე - სიგიჟე! წყარო.

რატომ არის არასასურველი შენახვა /tmp ფიზიკურ მედიაზე? იმის გამო, რომ ფაილები /tmp დროებითია და შენახვის მოწყობილობები უფრო ნელია ვიდრე მეხსიერება, სადაც იქმნება tmpfs. უფრო მეტიც, ფიზიკური მედია უფრო მგრძნობიარეა აცვიათ გადაწერისას, ვიდრე მეხსიერება. დაბოლოს, ფაილები /tmp შეიძლება შეიცავდეს მგრძნობიარე ინფორმაციას, ამიტომ მათი გაქრობა ყოველი გადატვირთვისას აუცილებელი ფუნქციაა.

სამწუხაროდ, ლინუქსის განაწილების ინსტალაციის ზოგიერთი სკრიპტი ნაგულისხმევად ქმნის /tmp შენახვის მოწყობილობას. არ დაიდარდოთ, თუ ეს თქვენს სისტემასაც დაემართა. მიჰყევით რამდენიმე მარტივ ინსტრუქციას ვიკიპედიაამის გამოსწორება და იცოდეთ, რომ გამოყოფილი მეხსიერება tmpfs სხვა მიზნებისთვის მიუწვდომელი ხდება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სისტემას, რომელსაც აქვს გიგანტური tmpfs და მასზე დიდი ფაილები, შეიძლება ამოიწუროს მეხსიერება და დაზიანდეს. კიდევ ერთი მინიშნება: ფაილის რედაქტირებისას /etc/fstab, გახსოვდეთ, რომ ის უნდა დასრულდეს ახალი ხაზით, წინააღმდეგ შემთხვევაში თქვენი სისტემა არ ჩაიტვირთება.

/proc და /sys

გარდა ამისა /tmp, VFS (ვირტუალური ფაილური სისტემები), რომლებიც ყველაზე მეტად იცნობენ Linux-ის მომხმარებლებს /proc и /sys. (/dev ცხოვრობს საერთო მეხსიერებაში და არ აქვს file_operations). რატომ ეს ორი კომპონენტი? მოდით შევხედოთ ამ საკითხს.

procfs ქმნის ბირთვის და იმ პროცესების სურათს, რისთვისაც მას აკონტროლებს userspace. In /proc ბირთვი ბეჭდავს ინფორმაციას იმის შესახებ, თუ რა არის ხელმისაწვდომი, როგორიცაა შეფერხებები, ვირტუალური მეხსიერება და გრაფიკი. გარდა ამისა, /proc/sys არის ადგილი, სადაც პარამეტრები კონფიგურებულია ბრძანებით sysctl, ხელმისაწვდომი userspace. ინდივიდუალური პროცესების სტატუსი და სტატისტიკა ნაჩვენებია დირექტორიაში /proc/.

აქ /proc/meminfo არის ცარიელი ფაილი, რომელიც მაინც შეიცავს ღირებულ ინფორმაციას.

ქცევა /proc ფაილები გვიჩვენებს, თუ რამდენად განსხვავებული შეიძლება იყოს VFS დისკის ფაილური სისტემები. ერთ მხარეს, /proc/meminfo შეიცავს ინფორმაციას, რომლის ნახვაც შესაძლებელია ბრძანებით free. მეორეს მხრივ, ცარიელია! Როგორ მუშაობს? სიტუაცია მოგვაგონებს ცნობილ სტატიას სახელწოდებით არსებობს თუ არა მთვარე, როცა მას არავინ უყურებს? რეალობა და კვანტური თეორია"დაწერა კორნელის უნივერსიტეტის ფიზიკის პროფესორმა დევიდ მერმინმა 1985 წელს. ფაქტია, რომ ბირთვი აგროვებს მეხსიერების სტატისტიკას მოთხოვნის მიღებისას /procდა რეალურად ფაილებში /proc არაფერია, როცა არავინ უყურებს. როგორც ითქვა მერმინი, "ფუნდამენტური კვანტური დოქტრინა ამბობს, რომ გაზომვა ზოგადად არ ავლენს გასაზომი ქონების წინასწარ არსებულ მნიშვნელობას." (და მთვარის შესახებ შეკითხვა საშინაო დავალებად მიიჩნიე!)
მოჩვენებითი სიცარიელე procfs აზრი აქვს, რადგან იქ ინფორმაცია დინამიურია. ოდნავ განსხვავებული სიტუაცია sysfs. მოდით შევადაროთ რამდენ ფაილშია მინიმუმ ერთი ბაიტის ზომა /proc და /sys.

Procfs აქვს ერთი ფაილი, კერძოდ ექსპორტირებული ბირთვის კონფიგურაცია, რაც გამონაკლისია, რადგან მისი გენერირება საჭიროა მხოლოდ ერთხელ ჩატვირთვისთვის. მეორეს მხრივ, ში /sys არსებობს ბევრი უფრო დიდი ფაილი, რომელთაგან ბევრი იკავებს მეხსიერების მთელ გვერდს. როგორც წესი, ფაილები sysfs შეიცავს ზუსტად ერთ რიცხვს ან სტრიქონს, განსხვავებით ფაილების წაკითხვის შედეგად მიღებული ინფორმაციის ცხრილებისგან, როგორიცაა /proc/meminfo.

მიზანი sysfs - უზრუნველყოს წაკითხვის/ჩაწერის თვისებები, რასაც ბირთვი უწოდებს «kobjects» მომხმარებლის სივრცეში. ერთადერთი მიზანი kobjects არის ბმულების დათვლა: როდესაც კობექტის ბოლო ბმული წაიშლება, სისტემა აღადგენს მასთან დაკავშირებულ რესურსებს. მიუხედავად ამისა, /sys შეადგენს ყველაზე ცნობილს "სტაბილური ABI მომხმარებლის სივრცისთვის" ბირთვი, რომელსაც ვერავინ ვერასდროს ვერავითარ შემთხვევაში ვერ შეძლებს "შესვენება". ეს არ ნიშნავს, რომ sysfs-ში ფაილები სტატიკურია, რაც შეუსაბამო იქნება არასტაბილური ობიექტების მითითების დათვლასთან.
ბირთვის სტაბილური ABI ზღუდავს რა შეიძლება გამოჩნდეს /sys, არა ის, რაც რეალურად არის ამ კონკრეტულ მომენტში. sysfs-ში ფაილის ნებართვების ჩამოთვლა იძლევა იმის გარკვევას, თუ როგორ შეიძლება კონფიგურირებადი პარამეტრები მოწყობილობებისთვის, მოდულებისთვის, ფაილური სისტემებისთვის და ა.შ. შეიძლება კონფიგურაცია ან წაკითხვა. ლოგიკური დასკვნა არის ის, რომ procfs ასევე არის ბირთვის სტაბილური ABI-ს ნაწილი, თუმცა ეს პირდაპირ არ არის ნათქვამი დოკუმენტაცია.

ფაილები sysfs აღწერეთ ერთი კონკრეტული თვისება თითოეული ერთეულისთვის და შეიძლება იყოს წაკითხვადი, ჩასაწერი ან ორივე. ფაილში "0" ნიშნავს, რომ SSD-ის ამოღება შეუძლებელია.

დავიწყოთ თარგმანის მეორე ნაწილი იმით, თუ როგორ ვაკონტროლოთ VFS eBPF და bcc ინსტრუმენტების გამოყენებით, ახლა კი ველოდებით თქვენს კომენტარებს და ტრადიციულად გეპატიჟებით ღია ვებინარი, რომელსაც ჩვენი მასწავლებელი გამართავს 9 აპრილს - ვლადიმირ დროზდეცკი.

წყარო: www.habr.com