Внутреннее устройство Linux

Pass 2: Checking directory structure

Pass 3: Checking directory connectivity

Pass 4: Checking reference counts

Pass 5: Checking group summary information /dev/sdb1: 11/1976 files (0.0 % non-contiguous), 265/7891 blocks

Если в режиме руководства команда fsck обнаружит ошибку, она остановится и задаст вам вопрос, относящийся к устранению проблемы. Подобные вопросы касаются внутренней структуры файловой системы, например повторного подключения неприкрепленных дескрипторов inode или очистки блоков (дескриптор inode является строительным блоком файловой системы; о работе этих дескрипторов подробнее в разделе 4.5). Когда команда fsck спрашивает вас о повторном подключении дескриптора inode, это означает, что обнаружен файл, у которого, по-видимому, нет имени. При подключении такого файла команда fsck помещает его в каталог lost+found файловой системы, указав число в качестве имени файла. Если такое происходит, вам потребуется определить его имя, основываясь на содержимом файла; исходное имя файла будет, вероятно, утрачено.

Не имеет смысла дожидаться окончания процесса восстановления, если вы всего лишь некорректно вышли из системы, поскольку команда fsck может обнаружить большое число ошибок, подлежащих устранению. К счастью, у команды e2fsck есть параметр — p, который выполняет автоматическое исправление типичных проблем, не задавая вопросов, и прерывает работу только в случае серьезной ошибки. На самом деле версии Linux вовремя запускают какой-либо вариант команды fsck — p. Вам может также встретиться команда fsck — a, которая выполняет то же самое.

Если вы подозреваете, что в вашей системе есть такие проблемы, как отказ аппаратных средств или неправильная конфигурация устройств, вам необходимо определить порядок действий, поскольку команда fsck способна попросту превратить в кашу файловую систему с многочисленными ошибками. Одним из явных признаков того, что у вашей системы есть серьезные проблемы, является обилие вопросов, которые задает команда fsck в ручном режиме работы.

Попробуйте запустить команду fsck — n, чтобы проверить файловую систему, ничего не изменяя. Если возникла проблема в конфигурации устройства и вы думаете, что ее можно исправить (например, неправильное число блоков в таблице разделов или неплотно подключенные кабели), сделайте это до запуска команды fsck в реальном режиме. В противном случае вы можете потерять большое количество данных.

Если вы думаете, что поврежден лишь суперблок (например, когда кто-либо выполнил запись в начале дискового раздела), можно попробовать восстановить файловую систему на основе одной из резервных копий, созданных командой mkfs. Используйте команду fsck — b num, чтобы заменить поврежденный суперблок альтернативным блоком num.

Если вы не знаете, где искать резервную копию суперблока, можно запустить команду mkfs — n на данном устройстве, чтобы просмотреть список номеров резервных копий суперблока, не повреждая данные. Опять-таки убедитесь в том, что вы используете флаг — n, чтобы не разнести файловую систему на куски.

Проверка файловых систем ext3 и ext4

Обычно вам не понадобится вручную проверять файловые системы ext3 и ext4, поскольку целостность данных обеспечивается журналированием. Однако вам может потребоваться смонтировать «поломанную» файловую систему ext3 или ext4 в режиме ext2, поскольку ядро не станет монтировать такие файловые системы с непустым журналом. Если выход из системы был совершен некорректно, то журнал может содержать какие-либо данные. Чтобы очистить журнал в файловой системе ext3 или ext4, приведя ее к стандартной базе данных, запустите следующую команду:

# e2fsck — fy /dev/disk_device

Наихудший случай

Самые серьезные дисковые проблемы оставляют вам не много вариантов для выбора.

• Можно попробовать извлечь из диска образ всей файловой системы с помощью команды dd и переместить ее в раздел другого диска с таким же размером.

• Можно попытаться «залатать» файловую систему, насколько это возможно, смонтировать ее в режиме «только чтение» и спасти что удастся.

• Можно попробовать команду debugfs.

В первом и во втором случаях вам все же понадобится исправить файловую систему до ее монтирования, если только вы не являетесь любителем ручного разбора сырых данных. Если желаете, можно ответить y на все вопросы команды fsck, запустив ее в таком виде: fsck — y. Однако используйте этот вариант в последнюю очередь, поскольку во время процесса восстановления могут обнаружиться ошибки, которые лучше исправлять вручную.

Инструмент debugfs позволяет вам просматривать файлы в файловой системе и копировать их куда-либо. По умолчанию он работает с файловыми системами в режиме «только чтение». Если вы восстанавливаете данные, вероятно, было бы неплохо оставить файлы неприкосновенными, чтобы избежать дальнейшей неразберихи.

Если же вы пришли в полное отчаяние в результате катастрофического сбоя и отсутствия резервных копий, вам остается только надеяться на то, что профессиональный сервис сможет «соскоблить данные с пластин».

4.2.12. Файловые системы специального назначения

Не все файловые системы представляют хранилища на физических носителях. В большинстве версий Unix есть файловые системы, которые играют роль системных интерфейсов. Такие файловые системы не только служат средством хранения данных на устройстве, но способны также представлять системную информацию, например идентификаторы процессов и диагностические сообщения ядра. Эта идея восходит к механизму /dev, который является ранней моделью использования файлов для интерфейсов ввода-вывода. Идея применения каталога /proc берет начало из восьмого издания экспериментальной версии Unix, которая была реализована Томом Дж. Киллианом (Tom J. Killian) и усовершенствована сотрудниками лаборатории Bell Labs (включая многих первичных разработчиков Unix), создавшими Plan 9 — экспериментальную операционную систему, которая вывела файловую систему на новый уровень абстракции (http://plan9.bell-labs.com/sys/doc/9.html).

Специальные типы файловых систем, которые широко применяются в Linux, включают следующие.

• proc. Смонтирована в каталоге /proc. Имя proc является сокращением слова process («процесс»). Каждый нумерованный каталог внутри /proc — это идентификатор происходящего в системе процесса; файлы в этих каталогах отражают различные характеристики процессов. Файл /proc/self представляет текущий процесс. Файловая система proc в Linux содержит внушительное количество дополнительной информации о ядре и аппаратных средствах в файлах вроде /proc/cpuinfo. Информация, которая не относится к процессам, перенесена из каталога /proc в каталог /sys.

 sysfs. Смонтирована в каталоге /sys (его вы встречали в главе 3).

 tmpfs. Смонтирована в каталоге /run и других. С помощью файловой системы tmpfs вы можете использовать физическую память и область подкачки в качестве временного хранилища. Например, можно смонтировать tmpfs там, где вам нравится, применяя длинные параметры size и nr_blocks для контроля максимального размера. Будьте осторожны и не помещайте постоянно данные в систему tmpfs, поскольку в итоге у операционной системы может закончиться память и программы начнут выходить из строя. Так, корпорация Sun Microsystems годами применяла вариант файловой системы tmpfs для каталога /tmp, что вызывало проблемы на компьютерах, работающих в течение долгого времени.

4.3. Область подкачки

Не каждый раздел диска содержит файловую систему. Пополнять оперативную память компьютера можно также за счет дискового пространства. Если оперативная память на исходе, система виртуальной памяти в Linux может автоматически перемещать фрагменты памяти на дисковое хранилище и обратно. Этот процесс называется подкачкой (свопингом), поскольку участки бездействующих команд перекачиваются на диск в обмен на активные фрагменты памяти, расположенные на диске. Область диска, используемая для хранения страниц памяти, называется областью подкачки (или сокращенно swap).

Результатом работы команды free является следующая информация о применении подкачки (в килобайтах):

$ free

total used free

— snip—

Swap: 514072 189804 324268

4.3.1. Использование раздела диска в качестве области подкачки

Чтобы полностью применять раздел диска для подкачки, выполните следующее.

1. Убедитесь в том, что раздел пуст.

2. Запустите команду mkswap dev, в которой в качестве параметра dev укажите устройство с необходимым разделом. Эта команда помещает в данный раздел сигнатуру области подкачки.

3. Запустите команду swapon dev, чтобы зарегистрировать область с помощью ядра.

После создания раздела подкачки можно внести новую запись о нем в файл /etc/fstab, чтобы система смогла применять область подкачки уже при загрузке компьютера. Вот пример такой записи, в которой в качестве раздела подкачки использовано устройство /dev/sda5:

/dev/sda5 none swap sw 0 0

Принимайте во внимание то, что теперь многие системы применяют идентификаторы UUID вместо простых названий устройств.

4.3.2. Использование файла в качестве области подкачки

Можно применять обычный файл в качестве области подкачки, если возникнет ситуация, когда вы будете вынуждены изменить разделы диска, чтобы создать область подкачки. Вы не должны испытать при этом какие-либо сложности.

Воспользуйтесь приведенными ниже командами, чтобы создать пустой файл, инициализировать его для подкачки, а затем добавить в пул подкачки:

# dd if=/dev/zero of=swap_file bs=1024k count=num_mb

# mkswap swap_file

# swapon swap_file

Здесь параметр swap_file задает имя нового файла подкачки, а параметр num_mb — желаемый размер в мегабайтах.

Чтобы удалить раздел или файл подкачки из активного пула ядра, используйте команду swapoff.

4.3.3. Какой объем области подкачки необходим

В свое время, согласно традиционной мудрости Unix, полагали, что всегда следует резервировать для подкачки по меньшей мере в два раза больший объем памяти по сравнению с оперативной. Теперь этот вопрос не столь однозначен, поскольку стали доступны огромные объемы дискового пространства и оперативной памяти, а также изменились способы использования системы. С одной стороны, дисковое пространство настолько обширно, что возникает искушение выделить больше памяти, чем двойной размер оперативной памяти. С другой — вам, вероятно, никогда не придется использовать область подкачки, когда в наличии имеется столько реальной памяти.

Правило о «двойном размере реальной памяти» возникло в то время, когда к одному компьютеру могло быть подключено одновременно несколько пользователей. Не все они могли быть активны, поэтому было удобно переводить в область подкачки те участки памяти, которые были выделены для неактивных пользователей, когда активному пользователю требовалось больше памяти.

Это может по-прежнему быть верным для компьютера с одним пользователем. Если вы запускаете много процессов, как правило, будет неплохо переместить в область подкачки части неактивных процессов или даже неактивные фрагменты активных процессов. Тем не менее, если вы постоянно применяете область подкачки, поскольку многие активные процессы желают сразу же использовать память, вы будете испытывать серьезные сложности с производительностью, так как дисковый ввод-вывод происходит слишком медленно и ему не угнаться за остальной частью системы. Выходы таковы: приобрести дополнительную память или завершить некоторые процессы.

Иногда ядро Linux может перевести в область подкачки какой-либо процесс с целью получения дополнительного дискового кэша. Чтобы это предотвратить, администраторы конфигурируют отдельные системы вообще без области подкачки. Например, высокопроизводительным сетевым серверам не следует использовать область подкачки и по возможности избегать обращения к диску.

примечание

Это опасно выполнять для компьютера общего назначения. Если на компьютере полностью будут исчерпаны оперативная память и область подкачки, ядро Linux запускает подавитель OOM (out-of-memory, нехватка памяти), чтобы прервать процесс и освободить некоторое количество памяти. Вы, безусловно, не захотите, чтобы это случилось с вашими приложениями. С другой стороны, высокопроизводительные серверы содержат сложные системы слежения и выравнивания нагрузки, чтобы никогда не оказаться в опасной зоне.

Из главы 8 вы узнаете подробнее о том, как работает система памяти.

4.4. Заглядывая вперед: диски и пространство пользователя

В относящихся к дискам компонентах системы Unix границы между пространством пользователя и пространством ядра довольно сложно определить. Как вы уже видели, ядро оперирует блочным вводом-выводом от устройств, а инструменты из пространства пользователя способны использовать блочный ввод-вывод с помощью файлов устройств. Тем не менее пространство пользователя, как правило, применяет блочный ввод-вывод только при инициализации таких операций, как создание разделов, файловых систем и области подкачки. В нормальном режиме пространство пользователя задействует только поддержку файловой системы, которая обеспечивается ядром в верхнем слое блочного ввода-вывода. Подобным образом ядро управляет и множеством мелких деталей, когда оно имеет дело с областью подкачки в системе виртуальной памяти.

В следующей части этой главы вкратце рассказано про внутренние части файловой системы Linux. Это более сложный материал, и вам определенно нет необходимости знать его, чтобы продолжить чтение книги. Переходите к следующей главе, чтобы начать изучение процесса загрузки системы Linux.

4.5. Внутри традиционной файловой системы

Традиционная файловая система Unix содержит два основных компонента: пул блоков данных, где можно хранить данные, и базу данных, которая управляет пулом данных. В основу базы данных положена структура данных inode. Дескриптор inode — это набор данных, который описывает конкретный файл, включая его тип, права доступа и (что, возможно, наиболее важно) расположение его данных в пуле данных. Дескрипторы inode распознаются по номерам, перечисленным в соответствующей таблице.

Имена файлов и каталогов также реализованы в виде дескрипторов inode. Дескриптор каталога содержит перечень имен файлов и соответствующих ссылок на другие дескрипторы.

Чтобы привести реальный пример, я создал новую файловую систему, смонтировал ее и сменил каталог на точку монтирования. После этого добавил несколько файлов и каталогов с помощью таких команд (попробуйте выполнить это самостоятельно на флеш-накопителе):

$ mkdir dir_1

$ mkdir dir_2

$ echo a > dir_1/file_1

$ echo b > dir_1/file_2

$ echo c > dir_1/file_3

$ echo d > dir_2/file_4

$ ln dir_1/file_3 dir_2/file_5

Обратите внимание на то, что я создал каталог dir_2/file_5 в виде жесткой ссылки на каталог dir_1/file_3. Это означает, что данные два имени файлов на самом деле представляют один и тот же файл.

Если вы рассмотрите каталоги в этой файловой системе, то ее содержимое выглядело бы так, как показано на рис. 4.4. Реальная разметка файловой системы, как показано на рис. 4.5, не выглядит настолько ясной, как представление на уровне пользователя.

Рис. 4.4. Представление файловой системы на уровне пользователя

Рис. 4.5. Структура дескрипторов файловой системы, показанной на рис. 4.4

В любой расширенной файловой системе (ext2/3/4) нумерация дескрипторов начинается с 2 — корневого дескриптора inode. Из таблицы дескрипторов на рис. 4.5 можно заметить, что это дескриптор каталога (dir), поэтому можно перейти по стрелке к пулу данных, где вы увидите содержимое корневого каталога: два элемента с именами dir_1 и dir_2, которые соответствуют дескрипторам inode 12 и 7633. Чтобы разобраться с этими элементами, вернитесь в таблицу дескрипторов и посмотрите на любой из них.

Для проверки ссылки dir_1/file_2 в этой файловой системе ядро выполняет следующие действия.

1. Определяет компоненты пути: за каталогом dir_1 следует компонент с именем file_2.

2. Переходит к корневому дескриптору и его данным о каталогах.

3. Отыскивает в данных о каталогах у дескриптора inode 2 имя dir_1, которое указывает на дескриптор с номером 12.

4. Ищет дескриптор inode 12 в таблице дескрипторов и проверяет, является ли он дескриптором каталога.

5. Следует по ссылке дескриптора inode 12 к информации о каталоге (это второй сверху контейнер в пуле данных).

6. Обнаруживает второй компонент пути (file_2) в данных о каталогах дескриптора inode 12. Эта запись указывает на дескриптор inode с номером 14.

7. Отыскивает дескриптор inode 14 в таблице каталогов. Это дескриптор файла.

К этому моменту ядро знает свойства файла и может открыть его, проследовав по ссылке на данные дескриптора inode 14.

Такая система дескрипторов, указывающих на структуры данных каталогов, и структур данных, указывающих на дескрипторы, позволяет создать иерархию файловой системы, к которой вы привыкли. Кроме того, обратите внимание на то, что дескрипторы каталогов содержат записи для текущего каталога (.) и родительского (..), исключая лишь корневой каталог. С их помощью можно легко получить точку отсчета при переходе на уровень выше в структуре каталогов.