Wirtualny system plików
VFS - Virtual FileSystem Switch

1. Cechy VFS

• Jest to warstwa programowa w jądrze Linuksa, obsługująca wszystkie wywołania systemowe dotyczące standardowego systemu plików,
• Analogiczne operacje na plikach a różnorodność rozwiazań w różnych systemach operacyjnych (np. ext2, NFS, FAT, proc i in.),
• Jednolity interfejs - wysoka kompatybilność, niezależność od formatu danych (łącze między jądrem a systemem plików),
• Ukrywanie różnic dla użytkownika (systemu operacyjnego): ogólny interfejs <> właściwe operacje,
• Własne uniwersalne struktury danych i własne implementacje standardowych funkcji,
• Montowanie systemu plików (dostarczenie implementacji właściwych funkcji),
• Hierarchiczna struktura systemu plików (drzewo, wmontowane systemy są poddrzewami głównego systemu plików),
• Obsługa różnych typów plików (np. plik zwykły, katalog, urządzenie blokowe, urządzenie znakowe, FIFO, symlink, gniazdo),
• Wspólny model pliku,
• Dla użytkownika plik jako strumień bajtów.

1.1. Typy systemów plików, które obsługuje VFS:

• dyskowe systemy plików: zarządzanie przestrzenią dostępną na lokalnych partycjach dysków np. Ext2, VFAT, NTFS
• sieciowe systemy plików: dostęp swobodny do plików, które znajdują się na systemach plików należących do innych komputerów w sieci np. NFS, Coda, AFS, NCP,
• wirtualne systemy plików: nie korzystają z przestrzeni dyskowej np. system plików /proc, /dev/pts.

Katalogi Linuksa (jak w Uniksie) tworzą drzewo, którego korzeniem jest katalog /. Główny katalog znajduje się na głównym systemie plików, który w Linuksie jest zazwyczaj typu Ext2. Wszystkie inne systemy plików mogą być zamontowane w podkatalogach głównego systemu plików.

1.2. Wspólny model pliku

• Umożliwienie reprezentacji wszystkich dostępnych systemów plików,
• Brak przyporządkowania na stałe obsługi operacji np. read(),
• Model jakby obiektowy - obiekty zrealizowane za pomocą struktur,
• Składa się z obiektów typu:
  • superblok - informacje o zamontowanym systemie plików,
  • i-węzeł - ogólne informacje o danym pliku; ma przyporządkowany jednoznaczny numer, który identyfikuje dany plik w systemie plików,
  • plik - informacje o powiązaniu między otwartymi plikami a procesem; informacja ta istnieje w jądrze gdy proces korzysta z pliku,
  • pozycja katalogu - informacje o powiązaniu pozycji katalogu z odpowiednim plikiem;
• Zwiększenie wydajności - ostatnio używane obiekty pozycji katalogu są umieszczane w dyskowej pamięci podręcznej (pamięć podręczna katalogu, ang. dentry cache).

Opis: dwa procesy używają tego samego sztywnego dowiązania; każdy swojego własnego obiektu file; wymagane 2 obiekty pozycji katalogu

2. Struktura file_system_type

Opis struktury:

• Każdy zarejestrowany system plików jest reprezentowany przez egzemplarz tej struktury,
• Struktury file_system są powiązane w jądrze w listę jednokierunkową, której początek wskazuje zmienna file_systems,
• Zawiera m.in. pola takie jak: nazwa systemu plików, wskaźnik do metody odczytującej superblok (funkcja read_super()), wskaźnik na następny element listy.

2.1. Rejestrowanie systemu plików - funkcja register_filesystem()

int register_filesystem(struct file_system_type *fs);

• Zarejestrowanie systemu plików w sytemie operacyjnym,
• Dodanie struktury fs do listy zarejestrowanych systemów plików,
• Początek wskazywany przez static struct file_system_type *file_systems.

2.2 Montowanie systemu plików - funkcja mount()

• Po rejestracji systemu plików w jądrze należy go zamontować za pomocą tejże funkcji,
• W pamięci zostaje utworzony i-węzeł korzenia montowanego systemu,
• Każdy zamontowany system plików jest reprezentowany w jądrze przez strukturę super_block.

3. Obiekty superbloków: struktura super_block

• Przechowuje informacje o zamontowanym systemie plików,
• Zawiera m.in pola: identyfikator urządzenia, rozmiar bloku, wskaźnik na typ systemu plików, operacje na sobie (wskaźnik na strukturę super_operations), wskaźnik na listę zmodyfikowanych (tzw. brudnych) i-węzłów...,
• Podczas montowania inicjowana jest poprzez wywołanie funkcji read_super dla danego systemu,
• Wszystkie obiekty superbloków (po jednym na każdy system plików) są powiązane w jądrze w dwukierunkową listę cykliczną, na której pierwszy i ostatni element wskazuje zmienna super_blocks (pola next i prev) (typu struct list_head).

3.1. Operacje na superblokach: struktura super_operations

• Zawiera dostępne operacje, które są wykonywane na elementach typu super_block - superblokach. Do operacji tych należą m.in.:
  • uaktualnianie i-węzła,
  • zwalnianie i-węzła,
  • uwalnianie obiektu superbloku,
  • aktualizowanie superbloku,
  • ponowne montowanie systemu;
• Zawarte w niej funkcje (funkcje, na które wskazują odpowiednie pola) są wykorzystywane przez VFS,
• Przejście między specyficzną dla danego systemu reprezentacją i-węzła i superbloku a postacią w pamięci,
• Komunikacja ze sterownikami,
• Jeśli dla jakiegoś systemu plików dana funkcja nie jest zaimplementowana, to odpowiedni wskaźnik pokazuje na NULL.

4. Obiekty i-węzłów: struktura inode

• Znajduj ąsię w niej wszystkie informacje potrzebne systemowi do obsąłżenia pliku,
• Są dwa rodzaje i-węzłów: te na dysku i w pamięci. W pamięci są wzbogacone o informacje, które przyspieszają działanie,
• I-węzeł dyskowy może mieć w pamięci tylko jedną swoją kopię,
• Każdy obiekt i-węzła znajduje się na jednej z trzech cyklicznych list dwukierunkowych:
  • lista i-węzłów nie używanych: na pierwszy i ostatni element tej listy wskazują pola next i prev zmiennej inode_unused,
  • lista używanych i-węzłów: wskaźniki do pierwszego i ostatniego w zmiennej inode_in_use,
  • lista "brudnych" i-węzłów: wskaźniki w polu s_dirty odpowiedniego obiektu superbloku;
• Liczbę i-węzłów, które są aktualnie w pamięci podaje zmienna nr_inodes, zaś i-węzłów wolnych zmienna nr_free_inodes,
• Zawsze jest pewna liczba wolnych (czystych) i-węzłów w pamięci,
• Aby zwiększyć efektywność dostępu, "używane" i "brudne" i-węzły przechowuje się także w tablicy mieszającej inode_hashtable (rozmiar NR_HASH), w której kolizje są rozwiązywane za pomocą dwukierunkowych list cyklicznych (pole i_hash).

• numer urządzenia, na którym znajduje się plik,
• id właściciela,
• id grupy właściciela,
• numer i-węzła na dysku,
• prawa dostępu i typ pliku (0 oznacza wolny i-węzeł),
• liczba dowiązań twardych, tzn. ile różnych nazw tego pliku,
• rozmiar w bajtach,
• ile bloków na dysku zajmuje plik,
• rozmiar bloku,
• czasy utworzenia, modyfikacji i dostępu,
• licznik odwołań do i-węzła (0 = wolny),
• flaga, czy i-węzeł w pamięci różni się od dyskowego (tzn. czy "brudny"): bit i_dirty,
• wskaźnik na strukturę super_block,
• wskaźnik na strukturę z operacjami na sobie inode_operations i na obiekcie pliku file_operations,
• wskaźnik do i-węzła korzenia zamontowaego systemu plików,
• struktury do synchronizacji dostępu,
• charakterystyczne informacje dla danego systemu plików,
• wkaźniki do innych i-węzłów w pamięci.

4.1. Metody związane z i-węzłem: struktura inode_operations

• Struktura ta zawiera także wskaźnik do operacji na obiekcie pliku,
• Wybrane metody to:
  • tworzenie nowego i-węzła dla zwykłego pliku/katalogu/pliku specjalnego,
  • przeszukiwanie katalogu w celu znalezienia i-węzła,
  • tworzenie i usuwanie sztywnego dowiązania,
  • usuwanie podkatalogu,
  • przenoszenie pliku;
• metody są dostępne dla wszystkich możliwych i-węzłów i typów systemów plików, lecz niektóre z nich nie mają zastosowania w przypadku konkretnego i-węzła - wówczas ustawiany jest NULL,
• są to przeważnie operacje związane ze zmianą struktury fizycznego pliku.

5. Obiekty plików: struktura file

• Reprezentacja pliku z perspektywy procesu - użytkownika,
• Umożliwienie współbieżności operacji na pliku, realizacja dostępu dzielonego,
• Nie ma swojego odpowiednika na dysku tak jak i-węzeł, więc nie ma pola "dirty",
• Główną informacją jest wskaźnik pliku - tzw. aktualna pozycja w pliku,
• Każdy obiekt tego typu jest na jednej z dwukierunkowych cyklicznych list:
• Pole f_count mówi ile jest odwołań do danej struktury tzw. licznik otwarć,
• lista nie używanych obiektów plików: Lista ta wykorzystwana jest jako pamięć podręczna obiektów plików, jak i rezerwa dla administratora (superużytkownika - root'a). Jądro dba o to, by lista ta zawierała co najmniej NR_RESERVED_FILES == 10 elementów. Adres pierwszego elementu w zmiennej free_filps,
• lista obiektów używanych: Każdy element tej listy jest używany przez co najmniej jeden proces. Adres pierwszego elementu tej listy w zmiennej inuse_filps; W elementach tej listy pole f_count>0;
• Rozmiar listy nie używanych obiektów plików jest przechowywany w zmiennej nr_free_files,
• Gdy VFS chce zaalokować nowy obiekt pliku, to najpierw patrzy na listę nie używanych obiektów (jeśli jest ich więcej niż NR_RESERVED_FILES, to używa jednego elementu, wpp. alokuje w zwykły sposób).

• Proces otwierający plik otrzymuje jego deskryptor,
• Tablica indeksowana deskryptorami zawiera wskaźniki do struktur file (o rozmiarze NR_OPEN == 1024*1024),
• Z jednym plikiem może być związanych kilka struktur file,
• Wskaźniki do tej samej struktury - wiele procesów (fork),
• Licznik otwarć f_count ustawiany na 1, a przy kopiowaniu deskryptora zwiększany o 1, zamykaniu pliku zmniejszany o 1. Gdy licznik otwarć == 0, to struktura jest zwalniana.

5.1. Zestaw operacji na pliku: struktura file_operations - operacje plikowe

• Wskaźniki do funkcji pozwalających operować na obiekcie pliku,
• Charakterystyczne dla danego systemu plików,
• Operacje jak np. czytanie pliku, nie zmieniające fizycznie pliku,
• Podczas ładowania i-węzła przez jądro z dysku do pamięci, zachowuje wskaźnik do tych operacji w strukturze file_operations, której adres znajduje się w polu default_file_ops struktury inode_operations,
• Wybrane funkcje:
  • czytanie bajtów z pliku,
  • otwieranie pliku (utworzenie nowego obiektu pliku i połączenie go z odpowiednim obiektem i-węzłem),
  • uwalnianie obiektu pliku,
  • blokowanie pliku;
• Wszystkie metody są dostępne dla wszystkiech możliwych systemów plików, jednak nie zawsze mają zastosowanie - wtedy jest NULL.

6. Specjalna obsługa obiektów plików katalogów

• Szczególna ostrożność; katalogów nie można blokować tak jak plików (blokowanie całego poddrzewa o korzeniu wyznaczanym przez dany katalog,
• Rozwiązanie poprzez pole f_version obiektu pliku i pole i_version obiektu i-węzła oraz zmnienną global_event,
• przy każdej modyfikacji obiektu i-węzła pliku katalogu, wartość global_event jest zwiększana o 1, a nowa wartość znacznika zachowywana w polu i_version obiektu. Analogicznie dla obiektu pliku,
• Oba znaczniki się muszą zgadzać - sprawdzane przy wywołaniach systemowych (tam gdzie potrzeba) ,
• Gdy wykryta zostanie niespójność, to ponownie zostaje wyliczony wskaźnik pliku katalogu poprzez przeczytanie całej zawartości katalogu; zwraca się wtedy pozycję katalogu następującą tuż za ostatnią zwróconą pozycją. Następnie f_version ustawiane na i_version w celu zaznaczenia synchronizacji.

6.1 Obiekty pozycji katalogów i jej metody: struktura dentry i dentry_operations

• Katalog uważany przez VFS jako zwykły plik, zawierający listę plików i innych katalogów,
• Obiekt tego typu tworzony jest przez jądro dla każdego składnika ścieżki poszukiwanej przez proces; obiekt pozycji wiąże dany składnik z i-węzłem,
• Struktura ta nie ma pola "dirty" jako, że nie ma odpowiednika na dysku,
• Obiekty są przechowywane w pamięci podręcznej dentry_cache (alokator pąytowy - tworzenie i usuwanie poprzez kmem_cache_alloc() i kmem_cache_free()),
• Cztery stany: wolny, nie używany, w użyciu, ujemny,
• Pamięć podręczna pozycji katalogów (bez "w użyciu") - odczytywanie z dysku elementu pozycji i utworzenie odpowiedniego obiektu pozycji katalogu zajmuje dużo czasu, więc przetrzymuje się w pamięci obiekty pozycji katalogów, które nie są aktualnie potrzebne, ale mogą się przydać w przyszłości (dodatkowo realizacja przez tablicę haszującą dentry_hashtable),
• "Nie używane" pozycje katalogów znajdują się na cyklicznej liście dwukierunkowej LRU, posortowanej względem czasu wstawiania. Ostatnio uwolniony na początek listy; gdy system operacyjny zmniejsza pamięć podręcznš, to kasowane są te końcowe; pola next i prev zmiennej dentry_unused wskazują na poczatek i koniec tej listy,
• "Aktualnie używane" na dwukierunkowej liście, określonej przez pole i_dentry odpowiedniego obiektu i-węzła,
• Obiekt "w użyciu" staje się "ujemny", gdy zostanie skasowane ostatnie sztywne łącze odpowiedniego pliku; wtedy przenoszony jest obiekt na listę LRU nie używanych pozycji; za każdym razem gdy jądro zmniejsza pamięć podręczną, ujemne pozycje katalogów są przesuwane w kierunku końca listy LRU i kolejno zwalniane.

Uwaga:

Jeśli nie zaznaczono inaczej, to wszystkie definicje znajdują się w pliku /include/linux/fs.h.