3. Доступ к данным в unix

UNIXпредоставляет в распоряжение прикладных программ набор системных вызовов, позволяющих выполнять основные операции с файлами и каталогами в целом (создание, удаление, поиск, изменение владельца и прав доступа), а также с данными, хранящимися в файлах (открытие и закрытие файла, чтение и запись данных, перемещение указателя в файле).

В основе работы с данными, как и для MS-DOS, лежит понятие хэндла открытого файла. Программа получает значение хэндла при открытии или создании файла, а затем использует хэндл для ссылки на открытый файл при обращении к функциям чтения, записи, перемещения указателя и т.п.

UNIXне имеет средств управления разделением доступа при открытии файла, т.е. всегда позволяет нескольким процессам открывать один и тот же файл. Для обеспечения корректной работы процессы могут использовать блокирование фрагментов файла. Можно установить блокировку для записи (эксклюзивную блокировку, см. п. 2.5) или для чтения (кооперативную блокировку). По умолчанию вUNIXиспользуютсярекомендательныеблокировки. Это означает, что система не препятствует процессу обращаться к заблокированному фрагменту файла. Процесс должен сам запрашивать (если считает нужным), не заблокирован ли данный фрагмент. В более поздних версияхUNIXстало возможным иобязательноеблокирование, при котором попытка обращения к заблокированному фрагменту приводит к ошибке.

Для реализации доступа к файлу по значению хэндла в UNIXиспользуются таблицы, аналогичные таблицамJFTиSFTвMS-DOS(см. п. 2.6.4.3). Однако, в отличие отMS-DOS, записьSFTне содержит копии всех атрибутов файла. Вместо этогоUNIXхранит в памяти отдельную таблицу копий индексных дескрипторов (inode) всех открытых файлов. ЗаписьSFTсодержит ссылку на запись таблицы индексных дескрипторов, а сверх того – те параметры, которых нет вinode: режим доступа к открытому файлу, положение указателя в файле, количество хэндлов, указывающих на данную записьSFT. Если один и тот же файл был открыт несколько раз, то создается несколько записейSFT, указывающих на один и тот жеinode.

4. Развитие файловых системUnix

Описанная выше классическая файловая система UNIXявляется по-своему весьма стройной и мощной, способной удовлетворить разнообразные требования пользователей. В то же время эта система давно уже подвергалась критике за два существенных недостатка, определяемых выбором описанных выше структур данных. Эти недостатки следующие:

• ненадежность;

• низкая производительность.

Поговорим сначала о ненадежности. Можно назвать следующие опасные места в структуре файловой системы UNIX.

• Широкое использование сцепленных списковых структур для хранения жизненно важной информации о размещении файлов и свободных блоков. Программистам известен основной недостаток сцепленных списков: при минимальном искажении хотя бы одного из указателей теряется, в лучшем случае, вся последующая часть списка. Возможна и потеря данных, не входящих в поврежденный список. Попробуйте представить себе, что произойдет на диске, если в качестве номера косвенного блока вследствие аппаратного сбоя будет записан номер ни в чем не повинного блока данных из совсем другого файла…

• Интенсивное использование суперблока для хранения часто изменяющейся информации. Поскольку каждая операция записи связана с возможностью искажения данных, под угрозой оказываются жизненно важные параметры файловой системы, которые тоже хранятся в суперблоке, но не требуют частых изменений: размеры всей файловой системы и ее частей, размер блока и т.п.

• Компактное размещение в начале дискового тома наиболее важных метаданных (суперблок, массив дескрипторов) приводит к тому, что при механическом повреждении начальных дорожек диска теряется возможность доступа ко всем данным на диске.

Давно известны и факторы, влияющие на снижение производительности работы:

• использование косвенных блоков приводит к тому, что для поиска нужного места в большом файле могут потребоваться дополнительные операции чтения с диска.

• используемые алгоритмы выделения и освобождения дисковых блоков по принципу «последним освободился – первым занят» способствуют фрагментации дискового пространства, а это, как нам известно, приводит к снижению скорости доступа.

Неудивительно, что в качестве замены системы s5fs были предложены различные более надежные и производительные файловые системы. К их числу относятся, например, система FFS, используемая в версииUNIX4BSD, а также системаext2, поставляемая сLinux. Все эти системы поддерживают привычную архитектуруUNIX, включая структуру каталогов, жесткие и символические связи, типы файлов, набор атрибутов. Различия заключаются в реализующих эту архитектуру структурах дисковых данных и в алгоритмах работы с ними.

Постараемся дать общее представление о направлениях усовершенствования файловых систем UNIX, не вдаваясь в детали конкретных систем.

• Дисковый том разбивается на несколько групп цилиндров. Каждая группа содержит копию общего суперблока, а также отдельный массив дескрипторов и блоки данных. В случае повреждения основного экземпляра суперблока его содержимое может быть восстановлено по сохранившейся копии. Повреждение метаданных в одной из групп цилиндров не ведет к потере информации в остальных группах.

• Данные о количестве и местонахождении свободных блоков вынесены из суперблока и хранятся отдельно в каждой группе цилиндров.

• Для хранения данных о свободных блоках используется не списковая структура, а битовая карта, в которой каждый блок из группы цилиндров помечается как свободный или занятый. Это уменьшает тяжесть последствий в случае повреждения данных.

• Алгоритм размещения файлов старается по возможностиразмещать все файлы одного каталога, а также их дескрипторы, в пределах одной группы цилиндров. Напротив, подкаталоги по возможности не размещаются в той же группе цилиндров, что родительский каталог. Таким способом обычно удается уменьшить количество перемещений головок при работе программы с файлами.

Нужно отметить, что в современных версиях UNIX, как и в других современных ОС, поддерживается одновременное использование разных файловых систем на разных дисковых томах. Этой цели служит понятиевиртуальной файловой системы(VFS). Она позволяет подключать к единому дереву каталогов файловые системы различных типов, в том числе такие чужеродные дляUNIX, какFATилиNTFS. Для работы с файлами используется единый набор файловых функций, однако при их вызове, в зависимости от того, к какой файловой системе принадлежит данный файл, будут вызываться различные подпрограммы.