Виртуелни датотечни системи во Linux: зошто се потребни и како функционираат? Дел 1

Здраво на сите! Продолжуваме да лансираме нови преноси на курсевите што веќе ги сакате, а сега брзаме да објавиме дека започнуваме нов сет на курсеви „Администратор на Линукс“, кој ќе стартува на крајот на април. Нова публикација ќе биде посветена на овој настан. Со оригиналниот материјал можете прочитај овде.

Виртуелните датотечни системи делуваат како еден вид магична апстракција што ѝ овозможува на филозофијата на Linux да каже дека „сè е датотека“.

Што е датотечен систем? Врз основа на зборовите на раниот соработник и автор на Линукс Роберт Лав, „Датотечниот систем е хиерархиско складирање на податоци собрани според одредена структура“. Сепак, оваа дефиниција подеднакво добро се однесува на VFAT (Табела за распределба на виртуелни датотеки), Git и Касандра (NoSQL база на податоци). Значи, што точно го дефинира таквото нешто како „датотечен систем“?

Основи на датотечен систем

Линукс кернелот има одредени барања за ентитет што може да се смета за датотечен систем. Мора да имплементира методи open(), read() и write() за постојани објекти кои имаат имиња. Од објектно-ориентирана гледна точка програмирање, кернелот дефинира генерички датотечен систем како апстрактен интерфејс и овие три големи функции се сметаат за „виртуелни“ и немаат специфична дефиниција. Според тоа, стандардната имплементација на датотечен систем се нарекува виртуелен датотечен систем (VFS).

Ако можеме да отвориме, читаме и пишуваме на ентитет, тогаш тој ентитет се смета за датотека, како што можеме да видиме од примерот во конзолата погоре.
Феноменот VFS само го истакнува опсервирањето вообичаено за системите слични на Unix дека „сè е датотека“. Размислете колку е чудно што тој мал пример погоре со /dev/console покажува како всушност работи конзолата. Сликата прикажува интерактивна Bash сесија. Испраќањето низа до конзолата (уред за виртуелна конзола) го прикажува на виртуелен екран. VFS има други, уште почудни својства. На пример, ви овозможува да пребарувате по него.

Системите што ни се познати како што се ext4, NFS и /proc имаат три важни функции во структурата на податоци C наречени file_operations. Дополнително, одредени датотечни системи ја прошируваат и отфрлаат функционалноста на VFS на познат објектно-ориентиран начин. Како што забележува Роберт Лав, апстракцијата VFS им овозможува на корисниците на Линукс лесно да копираат датотеки до или од трети лица оперативни системи или апстрактни ентитети како што се цевките без да се грижат за нивниот внатрешен формат на податоци. На корисничката страна (кориснички простор), користејќи системски повик, процесот може да копира од датотека во структури на податоци на јадрото користејќи го методот read() еден датотечен систем и потоа користете го методот write () друг датотечен систем за излез на податоци.

Во датотеките се наоѓаат дефиниции за функции кои припаѓаат на основните типови VFS fs/*.c изворниот код на јадрото, додека поддиректориумите fs/ содржи специфични датотечни системи. Јадрото содржи и ентитети како што се cgroups, /dev и tmpfs, кои се потребни за време на процесот на подигање и затоа се дефинирани во поддиректориумот на јадрото init/. Ве молиме имајте во предвид дека cgroups, /dev и tmpfs не ги нарекувајте функциите „големи три“. file_operations, но директно читајте и пишувајте во меморијата.
Дијаграмот подолу покажува како корисничкиот простор пристапува до различните типови датотечни системи кои вообичаено се монтираат на системите Линукс. Конструкции како што се pipes, dmesg и POSIX clocks, кои исто така ја спроведуваат структурата file_operations, достапно преку VFS слојот.

VFS е „слој на обвивка“ помеѓу системски повици и имплементации на одредени file_operationsкако што се ext4 и procfs. Функции file_operations може да комуницира со двигатели на уредот или со уреди за пристап до меморија. tmpfs, devtmpfs и cgroups не користете file_operations, но директно пристап до меморијата.
Постоењето на VFS обезбедува можност за повторно користење на кодот, бидејќи основните методи поврзани со датотечните системи не мора повторно да се имплементираат од секој тип на датотечен систем. Повторната употреба на кодот е широко користена практика меѓу софтверските инженери! Меѓутоа, ако кодот за повеќекратна употреба содржи сериозни грешки, од нив страдаат сите имплементации кои ги наследуваат вообичаените методи.

/tmp: Едноставен совет

Едноставен начин да се открие дека VFS се присутни на системот е да се внесе mount | grep -v sd | grep -v :/, кој ќе ги прикаже сите монтирани (mounted) датотечни системи кои не се резидентни на дискот и не се NFS, што е точно на повеќето компјутери. Еден од наведените монтирања (mounts) VFS несомнено ќе биде /tmp, нели?

Сите го знаат тоа складирање / tmp на физички медиуми - лудо! Извор.

Зошто не е препорачливо да се складира /tmp на физички медиуми? Бидејќи датотеките во /tmp се привремени и уредите за складирање се побавни од меморијата каде што се креираат tmpfs. Освен тоа, физичките медиуми се поподложни на абење и кинење кога се препишани отколку меморијата. Конечно, датотеките во /tmp може да содржат чувствителни информации, така што нивното исчезнување при секое рестартирање е интегрална карактеристика.

За жал, некои скрипти за инсталација на дистрибуција на Linux стандардно создаваат /tmp на уредот за складирање. Не очајувајте ако тоа се случи и со вашиот систем. Следете неколку едноставни упатства со Архива Викиза да го поправите ова и запомнете дека меморијата е наменета за tmpfs станува недостапен за други цели. Со други зборови, систем со огромни tmpfs и големи датотеки во него може да ја искористи целата меморија и да се сруши. Друга навестување: додека уредувате датотека /etc/fstab, запомнете дека мора да заврши со нова линија, инаку вашиот систем нема да се подигне.

/proc и /sys

Покрај /tmpVFS (виртуелни датотечни системи) кои им се најпознати на корисниците на Линукс се /proc и /sys. (/dev се наоѓа во заедничка меморија и нема file_operations). Зошто овие две компоненти? Ајде да го разгледаме ова прашање.

procfs создава слика од состојбата на кернелот и процесите за кои тој контролира userspace. Во /proc Јадрото дава информации за тоа какви капацитети има, како што се прекини, виртуелна меморија и распоредувач. Освен тоа, /proc/sys – тука се конфигурирани параметрите со помош на командата sysctl, достапно за userspace. Статусот и статистиката на поединечните процеси се прикажани во директориуми /proc/.

Тука /proc/meminfo е празна датотека која сепак содржи вредни информации.

Однесување /proc датотеките покажуваат колку различни датотечни системи на VFS диск може да бидат. Од една страна, /proc/meminfo содржи информации кои можат да се видат со командата free. Од друга страна, празно е! Како се случува ова? Ситуацијата потсетува на познатата статија со наслов „Дали месечината постои кога никој не ја гледа? Реалност и квантна теорија“, напишана од професорот по физика на Универзитетот Корнел, Дејвид Мермин во 1985 година. Факт е дека кернелот собира статистика за меморија кога има барање /proc, и всушност во датотеките /proc нема ништо кога никој не гледа таму. Како што реков Мермин, „Фундаменталната квантна доктрина вели дека мерењето генерално не открива веќе постоечка вредност на имотот што се мери“. (И размислете за прашањето за месечината како домашна задача!)
Очигледна празнина procfs има смисла бидејќи информациите таму се динамични. Малку поинаква ситуација со sysfs. Ајде да споредиме колку датотеки од барем еден бајт има /proc и /sys.

Procfs има една датотека, имено извезената конфигурација на кернелот, што е исклучок бидејќи треба да се генерира само еднаш по подигање. Од друга страна, во /sys има многу поголеми датотеки, од кои многу зафаќаат цела страница меморија. Обично датотеки sysfs содржат точно еден број или низа, за разлика од табелите со информации добиени со читање датотеки како на пр /proc/meminfo.

цел sysfs – Обезбедете читливи и запишувачки својства на она што го нарекува кернелот «kobjects» во корисничкиот простор. Единствената цел kobjects е броење на референци: кога последната референца за кобјект е избришана, системот ќе ги врати ресурсите поврзани со него. Сепак, /sys го сочинува најголемиот дел од познатите „стабилен ABI за кориснички простор“ јадрото, кое никој никогаш не може, под никакви околности, "пауза". Ова не значи дека датотеките во sysfs се статични, што би било во спротивност со броењето на референци на нестабилни објекти.
Стабилното ABI на кернелот го ограничува она што може да се појави во /sys, наместо она што е всушност присутно во тој одреден момент. Наведувањето дозволи за датотеки во sysfs обезбедува увид во тоа како се конфигурираат параметрите на уредите, модулите, датотечните системи итн. може да се конфигурира или чита. Донесуваме логичен заклучок дека procfs е исто така дел од стабилното ABI на кернелот, иако тоа не е експлицитно наведено во документација.

Датотеки во sysfs опишете едно специфично својство за секој ентитет и може да биде читливо, запишување или и двете. „0“ во датотеката покажува дека SSD-то не може да се отстрани.

Вториот дел од преводот ќе го започнеме со тоа како да се следи VFS користејќи ги алатките eBPF и bcc, а сега ги чекаме вашите коментари и традиционално ве покануваме да отворен вебинар, што ќе го одржи нашиот наставник на 9 април - Владимир Дроздетски.

Извор: www.habr.com