Внутреннее устройство Linux

4.1.3. Диск и геометрия раздела

Любое устройство с подвижными частями добавляет сложностей в систему программного обеспечения, поскольку физические элементы сопротивляются абстрагированию. Жесткие диски не являются исключением. Хоть и возможно представлять жесткий диск как блочное устройство с произвольным доступом к любому блоку, возникают серьезные последствия для производительности, если вы не позаботились о том, как располагаются данные на диске. Рассмотрим физические свойства простого диска с одной пластиной, изображенного на рис. 4.3.

Диск состоит из вращающейся на шпинделе пластины, а также головки, которая прикреплена к подвижному кронштейну, который может перемещаться вдоль радиуса диска. Когда диск вращается под головкой, последняя считывает данные. Когда кронштейн расположен в определенной позиции, головка может считывать данные только с одной окружности. Эта окружность называется цилиндром, поскольку у больших дисков несколько пластин, которые надеты на один шпиндель и вращаются вокруг него. Каждая пластина может иметь одну или две головки, для верхней и/или нижней части пластины, причем все головки крепятся на одном кронштейне и перемещаются совместно. Поскольку кронштейн двигается, на диске есть много цилиндров, от самых малых около центра диска до самых больших по его краям. Наконец, цилиндр можно разделить на доли, называемые секторами. Такой способ представления геометрии диска называется CHS (cylinder-head-sector, цилиндр-головка-сектор).

Рис. 4.3. Жесткий диск, вид сверху

примечание

Дорожка является частью цилиндра, к которой имеет доступ одна головка, поэтому на рис. 4.3 цилиндр является также и дорожкой.

Ядро и различные программы для работы с разделами могут сообщить вам о том, что из себя представляет диск как совокупность цилиндров (и секторов, которые являются частями цилиндров). Однако для современных жестких дисков сообщаемые значения являются фиктивными! Традиционная схема адресации, которая использует параметры CHS, не вписывается в современное аппаратное обеспечение жестких дисков. Она также не принимает в расчет тот факт, что в одних цилиндрах можно разместить больше данных, чем в других. Дисковые аппаратные средства поддерживают блочную адресацию LBA (Logical Block Addressing), чтобы просто обращаться к какому-либо месту диска по номеру блока. Однако следы системы CHS еще присутствуют. Например, таблица разделов MBR содержит информацию CHS, а также ее LBA-эквивалент, и некоторые загрузчики системы по-прежнему довольно глупы, чтобы доверять значениям CHS (но не беспокойтесь — в большинстве загрузчиков Linux используются значения LBA).

Тем не менее понятие о цилиндрах оказалось важным для работы с разделами, поскольку цилиндры являются идеальными границами для разделов. Чтение потока данных с цилиндра происходит очень быстро, так как головка может непрерывно считывать данные по мере вращения диска. Раздел, который организован как набор смежных цилиндров, также позволяет получить быстрый доступ к данным, поскольку головке не приходится перемещаться слишком далеко между цилиндрами.

Некоторые программы для работы с разделами выражают недовольство, если вы не размечаете разделы точно по границам цилиндров. Игнорируйте это. Вы мало чем сможете помочь, поскольку значения CHS для современных дисков попросту недостоверны. Схема LBA гарантирует вам то, что разделы окажутся именно там, где вы предполагали.

4.1.4. Твердотельные накопители (диски SSD)

Устройства хранения без движущихся частей, такие как твердотельные накопители (SSD), совершенно отличны от вращающихся дисков, если говорить о характеристиках доступа к данным. Для них произвольный доступ не является проблемой, так как отсутствует перемещающаяся вдоль пластины головка. Однако некоторые факторы отражаются на производительности.

Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на производительность дисков SSD, является выравнивание разделов. Когда вы считываете данные с диска SSD, чтение происходит фрагментарно — как правило, порциями по 4096 байт за один прием, — причем такое чтение должно начинаться с числа, кратного этому размеру. Поэтому, если раздел и данные в нем не располагаются в пределах 4096-байтной зоны, вам может понадобиться выполнить две небольшие операции чтения вместо одной, например чтения содержимого каталога.

Многие утилиты для работы с разделами (например, parted и gparted) содержат средства для размещения вновь созданных разделов с правильными отступами от начала диска, и вам никогда не придется беспокоиться о неверном выравнивании разделов. Однако, если вам любопытно узнать, где начинаются ваши разделы, чтобы убедиться в том, что они начинаются от границ, можно легко это выяснить, заглянув в каталог /sys/block. Вот пример раздела для устройства /dev/sdf2:

$ cat /sys/block/sdf/sdf2/start

1953126

Этот раздел начинается на расстоянии 1 953 126 байт от начала диска. Поскольку это число не делится нацело на 4096, работа с таким разделом не достигала бы оптимальной производительности, если бы он был расположен на диске SSD.

4.2. Файловые системы

Последним звеном между ядром и пространством пользователя для дисков обычно является файловая система. С ней вы привыкли взаимодействовать, когда запускали такие команды, как ls и cd. Как отмечалось ранее, файловая система является разновидностью базы данных; она поддерживает структуру, призванную трансформировать простое блочное устройство в замысловатую иерархию файлов и подкаталогов, которую пользователи способны понять.

В свое время файловые системы, располагавшиеся на дисках и других физических устройствах, использовались исключительно для хранения данных. Однако древовидная структура каталогов, а также интерфейс ввода-вывода довольно гибки, поэтому теперь файловые системы выполняют множество задач, например роль системных интерфейсов, которые вы можете увидеть в каталогах /sys и /proc. Файловые системы традиционно реализованы внутри ядра, однако инновационный протокол 9P из операционной системы Plan 9 (http://plan9.bell-labs.com/sys/doc/9.html) способствовал разработке файловых систем в пространстве пользователя. Функция FUSE (File System in User Space, файловая система в пространстве пользователя) позволяет применять такие файловые системы в Linux.

Слой абстракции VFS (виртуальная файловая система) завершает реализацию файловой системы. Во многом подобно тому, как подсистема SCSI стандартизирует связь между различными типами устройств и управляющими командами ядра, слой VFS обеспечивает поддержку стандартного интерфейса всеми реализациями файловых систем, чтобы приложения из пространства пользователя одинаковым образом обращались с файлами и каталогами. Виртуальная файловая система позволяет Linux поддерживать невообразимо большое число файловых систем.

4.2.1. Типы файловых систем

В Linux включена поддержка таких файловых систем, как «родные» разработки, оптимизированные для Linux, «чужеродные» типы, например семейство Windows FAT, универсальные файловые системы вроде ISO 9660 и множество других. В приведенном ниже списке перечислены наиболее распространенные типы файловых систем для хранения данных. Имена типов систем, как их определяет Linux, приведены в скобках после названия файловых систем.

• Четвертая расширенная файловая система (ext4) является текущей реализацией в линейке «родных» для Linux файловых систем. Вторая расширенная файловая система (ext2) долгое время была системой по умолчанию в системах Linux, которые испытывали влияние традиционных файловых систем Unix, таких как файловая система Unix (UFS, Unix File System) и быстрая файловая система (FFS, Fast File System). В третьей расширенной файловой системе (ext3) появился режим журналирования (небольшой кэш за пределами нормальной структуры данных файловой системы) для улучшения целостности данных и ускорения загрузки системы. Файловая система ext4 является дальнейшим улучшением, с поддержкой файлов большего размера по сравнению с допустимым в системах ext2 или ext3, а также большего количества подкаталогов.

Среди расширенных файловых систем присутствует некоторая доля обратной совместимости. Например, можно смонтировать систему ext2 как ext3 или наоборот, а также смонтировать файловые системы ext2 и ext3 как ext4, однако нельзя смонтировать файловую систему ext4 как ext2 или ext3.

 Файловая система ISO 9660 (iso9660) — это стандарт для дисков CD-ROM. Большинство дисков CD-ROM использует какой-либо вариант стандарта ISO 9660.

 Файловые системы FAT (msdos, vfat, umsdos) относятся к системам Microsoft. Простой тип msdos поддерживает весьма примитивное унылое многообразие систем MS-DOS. Для большинства современных файловых систем Windows следует использовать тип vfat, чтобы получить возможность полного доступа из OC Linux. Редко используемый тип umsdos представляет интерес для Linux: в нем есть поддержка таких особенностей Unix, как символические ссылки, которые находятся над файловой системой MS-DOS.

 Тип HFS+ (hfsplus) является стандартом Apple, который используется в большинстве компьютеров Macintosh.

Хотя расширенные файловые системы были абсолютно пригодны для применения обычными пользователями, в технологии файловых систем были произведены многочисленные улучшения, причем такие, что даже система ext4 не может ими воспользоваться в силу требований обратной совместимости. Эти улучшения относятся главным образом к расширяемости системы, как то: очень большое количество файлов, файлы большого объема и другие подобные вещи. Новые файловые системы Linux, такие как Btrfs, находятся в разработке и могут прийти на смену расширенным файловым системам.

4.2.2. Создание файловой системы

Когда вы завершите работу с разделами, которая описана выше (см. раздел 4.1), можно создавать файловую систему. Как и для разделов, это выполняется в пространстве пользователя, поскольку процесс из пространства пользователя может напрямую обращаться к блочному устройству и работать с ним. Утилита mkfs способна создать многие типы файловых систем. Например, можно создать раздел типа ext4 в устройстве /dev/sdf2 с помощью такой команды:

# mkfs — t ext4 /dev/sdf2

Команда mkfs автоматически определяет количество блоков в устройстве и устанавливает некоторые разумные параметры по умолчанию. Если вы не в полной мере представляете, что делаете, или если не любите читать подробную документацию, не меняйте эти настройки.

При создании файловой системы команда mkfs осуществляет диагностический вывод, включая и тот, который относится к суперблоку. Суперблок является ключевым компонентом, расположенным на верхнем уровне базы данных файловой системы. Он настолько важен, что утилита mkfs создает для него несколько резервных копий на случай утраты оригинала. Постарайтесь записать несколько номеров резервных копий суперблока во время работы команды mkfs, они могут вам понадобиться, когда придется восстанавливать суперблок после ошибки диска (см. подраздел 4.2.11).

внимание

Создание файловой системы — это задача, которую необходимо выполнять только после добавления нового диска или изменения разделов на существующем. Файловую систему следует создавать лишь один раз для каждого нового раздела, на котором еще нет данных (или который содержит данные, подлежащие удалению). Создание новой файловой системы поверх уже существующей фактически уничтожает старые данные.

Оказывается, утилита mkfs является только «лицевой стороной» набора команд для создания файловых систем. Эти команды называются mkfs.fs, где вместо fs подставлен тип файловой системы. Таким образом, когда вы запускаете команду mkfs — t ext4, утилита mkfs, в свою очередь, запускает команду mkfs.ext4.

Но двуличности здесь еще больше. Исследуйте файлы, которые скрываются за обозначениями mkfs.*, и вы увидите следующее:

$ ls — l /sbin/mkfs.*

— rwxr-xr-x 1 root root 17896 Mar 29 21:49 /sbin/mkfs.bfs

— rwxr-xr-x 1 root root 30280 Mar 29 21:49 /sbin/mkfs.cramfs

lrwxrwxrwx 1 root root 6 Mar 30 13:25 /sbin/mkfs.ext2 — > mke2fs

lrwxrwxrwx 1 root root 6 Mar 30 13:25 /sbin/mkfs.ext3 — > mke2fs

lrwxrwxrwx 1 root root 6 Mar 30 13:25 /sbin/mkfs.ext4 — > mke2fs

lrwxrwxrwx 1 root root 6 Mar 30 13:25 /sbin/mkfs.ext4dev — > mke2fs

— rwxr-xr-x 1 root root 26200 Mar 29 21:49 /sbin/mkfs.minix

lrwxrwxrwx 1 root root 7 Dec 19 2011 /sbin/mkfs.msdos — > mkdosfs

lrwxrwxrwx 1 root root 6 Mar 5 2012 /sbin/mkfs.ntfs — > mkntfs

lrwxrwxrwx 1 root root 7 Dec 19 2011 /sbin/mkfs.vfat — > mkdosfs

Файл mkfs.ext4 является лишь символической ссылкой на mke2fs. Об этом важно помнить, если вы натолкнетесь на какую-либо систему без специальной команды mkfs или же когда станете искать документацию по какой-либо файловой системе. Каждой утилите для создания файловой системы посвящена особая страница в руководстве, например, mke2fs(8). В большинстве версий ОС это не создаст проблем, поскольку при попытке доступа к странице mkfs.ext4(8) руководства вы будете перенаправлены на страницу mke2fs(8). Просто имейте это в виду.

4.2.3. Монтирование файловой системы

В Unix процесс присоединения файловой системы называется монтированием. Когда система загружается, ядро считывает некоторые конфигурационные данные и на их основе монтирует корневой каталог (/).

Чтобы выполнить монтирование файловой системы, вы должны знать следующее:

• устройство для размещения файловой системы (например, раздел диска; на нем будут располагаться актуальные данные файловой системы);

• тип файловой системы;

 точку монтирования, то есть место в иерархии каталогов текущей системы, куда будет присоединена файловая система. Точка монтирования всегда является обычным каталогом. Например, можно использовать каталог /cdrom в качестве точки монтирования для приводов CD-ROM. Точка монтирования не обязана находиться именно в корневом каталоге, в системе она может быть где угодно.

Для монтирования файловой системы применяется терминология «смонтировать устройство в точке монтирования». Чтобы узнать статус текущей файловой системы, запустите команду mount. Результат будет выглядеть примерно так:

$ mount

/dev/sda1 on / type ext4 (rw,errors=remount-ro)

proc on /proc type proc (rw,noexec,nosuid,nodev)

sysfs on /sys type sysfs (rw,noexec,nosuid,nodev)

none on /sys/fs/fuse/connections type fusectl (rw)

none on /sys/kernel/debug type debugfs (rw)

none on /sys/kernel/security type securityfs (rw)

udev on /dev type devtmpfs (rw,mode=0755)

devpts on /dev/pts type devpts (rw,noexec,nosuid,gid=5,mode=0620)

tmpfs on /run type tmpfs (rw,noexec,nosuid,size=10 %,mode=0755)

— snip—

Каждая строка соответствует одной файловой системе, смонтированной в настоящее время. Перечислены следующие элементы:

• устройство, например /dev/sda3. Обратите внимание на то, что некоторые устройства в действительности не являются таковыми (например, proc), а играют роль заместителей для имен реальных устройств, поскольку таким файловым системам специального назначения не нужны устройства;

• слово on;

• точка монтирования;

• слово type;

• тип файловой системы, как правило, в виде краткого идентификатора;

• параметры монтирования (в скобках) (см. подробности в подразделе 4.2.6).

Чтобы смонтировать файловую систему, используйте приведенную ниже команду mount, указав тип файловой системы, устройство и желаемую точку монтирования:

# mount — t type device mountpoint

Чтобы, например, смонтировать четвертую расширенную файловую систему /dev/sdf2 в точке /home/extra, используйте такую команду:

# mount — t ext4 /dev/sdf2 /home/extra

Обычно не требуется указывать параметр — t, поскольку команда mount способна догадаться о нем сама. Однако иногда бывает необходимо сделать различие между сходными типами файловых систем, таких как FAT, например.

В подразделе 4.2.6 можно увидеть еще несколько более длинных параметров монтирования. Чтобы демонтировать (открепить) файловую систему, воспользуйтесь командой umount:

# umount mountpoint

Можно также демонтировать файловую систему вместе с ее устройством, а не с точкой монтирования.

4.2.4. Файловая система UUID

Метод монтирования файловых систем, рассмотренный в предыдущем разделе, зависит от названий устройств. Однако имена устройств могут измениться, поскольку они зависят от порядка их обнаружения ядром. Чтобы справиться с этой проблемой, можно идентифицировать и монтировать файловые системы по их идентификатору UUID (Universally Unique Identifier, универсальный уникальный идентификатор), который является стандартом в программном обеспечении. Идентификатор UUID — это своего рода серийный номер, причем каждый такой номер уникален. Команды для создания файловых систем, такие как mke2fs, присваивают идентификатор UUID при инициализации структуры данных файловой системы.

Чтобы просмотреть список устройств, соответствующих им файловых систем, а также идентификаторы UUID, используйте команду blkid (block ID):

# blkid

/dev/sdf2: UUID="a9011c2b-1c03-4288-b3fe-8ba961ab0898" TYPE="ext4"

/dev/sda1: UUID="70ccd6e7-6ae6-44f6-812c-51aab8036d29" TYPE="ext4"

/dev/sda5: UUID="592dcfd1-58da-4769-9ea8-5f412a896980" TYPE="swap"

/dev/sde1: SEC_TYPE="msdos" UUID="3762–6138" TYPE="vfat"