Внутреннее представление файлов

Как уже было замечено в предыдущем разделе, каждый файл в системе UNIX имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу, например, права собственности на файл, права доступа к файлу, размер файла и расположение данных файла в файловой системе. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов и идентифицируя файл строкой символов, выступающих в качестве составного имени файла. Каждое составное имя однозначно определяет файл, благодаря чему ядро системы преобразует это имя в индекс файла.

Индексы существуют на диске в статической форме и ядро считывает их в память прежде, чем начать с ними работать. Дисковые индексы включают в себя следующие поля:

• Идентификатор владельца файла. Права собственности разделены между индивидуальным владельцем и «групповым» и тем самым помогают определить круг пользователей, имеющих права доступа к файлу. Суперпользователь имеет право доступа ко всем файлам в системе.

• Тип файла. Файл может быть файлом обычного типа, каталогом, специальным файлом, соответствующим устройствам ввода-вывода символами или блоками, а также абстрактным файлом канала (организующим обслуживание запросов в порядке поступления, «первым пришел - первым вышел").

• Права доступа к файлу. Система разграничивает права доступа к файлу для трех классов пользователей: индивидуального владельца файла, группового владельца и прочих пользователей; каждому классу выделены определенные права на чтение, запись и исполнение файла, которые устанавливаются индивидуально (об этом будет более подробно рассказано в разделе «Контроль доступа к файлам»).

• Календарные сведения, характеризующие работу с файлом:

• время внесения последних изменений в файл,

• время последнего обращения к файлу,

• время внесения последних изменений в индекс.

• Число указателей на файл, означающее количество имен, используемых при поиске файла в иерархии каталогов.

Типы файлов

В UNIX существуют 6 типов файлов, различающихся по функциональному назначению и действиям операционной системы при выполнении тех или иных операций над файлами:

• Обычный файл (regular file);

• Каталог (directory);

• Специальный файл устройства (special device file);

• FIFO или именованный канал (named pipe);

• Связь (link);

• Сокет.

Обычный файл представляет собой наиболее общий тип файлов, содержащий данные в некотором формате. Для операционной системы такие файлы представляют собой просто последовательность байтов. Вся интерпретация содержимого файла производится прикладной программой, обрабатывающей файл. К этим файлам относятся текстовые файлы, бинарные данные, исполняемые программы и т. п.

Каталог. С помощью каталогов формируется логическое дерево файловой системы. Каталог — это файл, содержащий имена находящихся в нем файлов, а также указатели на дополнительную информацию — метаданные, позволяющие операционной системе производить операции над этими файлами. Каталоги определяют положение файла в дереве файловой системы, поскольку сам файл не содержит информации о своем местонахождении. Любая задача, имеющая право на чтение каталога, может прочесть его содержимое, но только ядро имеет право на запись в каталог.

Н а рис. 15.3 в качестве примера приведена упрощенная структура каталога. По существу каталог представляет собой таблицу, каждая запись которой соответствует некоторому файлу. Первое поле каждой записи содержит указатель на метаданные (индекс, о котором речь пойдет далее), а второе - определяет имя файла.

С пециальный файл устройства обеспечивает доступ к физическому уст­ройству. В UNIX различают символьные (character) и блочные (block) файлы устройств. Доступ к устройствам осуществляется путем открытия, чтения и записи в специальный файл устройства.

Символьные файлы устройств используются для небуферизированного об­мена данными с устройством, в противоположность этому блочные файлы позволяют производить обмен данными в виде пакетов фиксированной длины — блоков. Доступ к некоторым устройствам может осуществляться как через символьные, так и через блочные специальные файлы.

FIFO или именованный канал — это файл, используемый для связи между процессами. FIFO впервые появились в System V UNIX, но большинство современных систем поддерживают этот механизм.

Связь. Как уже говорилось, каталог содержит имена файлов и указатели на их метаданные. В то же время сами метаданные не содержат ни имени файла, ни указателя на это имя. Такая архитектура позволяет одному файлу иметь несколько имен в файловой системе. Имена жестко связаны с метаданными и, соответственно, с данными файла, в то время как сам файл существует независимо от того, как его называют в файловой системе (такое утверждение верно лишь отчасти. Действительно, файлу «безразлично», какие имена он имеет в каталогах, но «небезразлично» число этих имен. Если ни одно из имен файловой системы не ссылается на файл - он должен быть удален, т.е. физически удалены его данные на диске). Такая связь имени файла с его данными называется жесткой связью (hard link) (см. рис.15.4). Например, с помощью команды 1п мы можем создать еще одно имя (например, second) файла, на который указывает имя first .

$ln first /home/sergey/second

Жесткие связи абсолютно равноправны. В списках файлов каталогов, которые можно получить с помощью команды ls(l), файлы first и second будут отличаться только именем. Все остальные атрибуты файла будут абсолютно одинаковыми. С точки зрения пользователя - это два разных файла. Изменения, внесенные в любой из этих файлов, затронут и другой, поскольку оба они ссылаются на одни и те же данные файла. Вы можете переместить один из файлов в другой каталог - все равно эти имена будут связаны жесткой связью с данными файла. Легко проверить, что удаление одного из файлов (first или second) не приведет к удалению самого файла, т. е. его метаданных и данных (если это не специальный файл устройства).

По определению, жесткие связи указывают на один и тот же индексный дескриптор inode. Поэтому проверить , имеют ли два имени файла жесткую связь, можно, вызвав команду ls с ключом –i:

$ ls –i /home/andrey/first /home/sergey/second

12567 first

12567 second

Информацию о наличии у файла нескольких имен, связанных с ним жест­кими связями, можно получить, просмотрев подробный листинг файлов с помощью команды ls -l:

$ ls –l /home/sergey

…

-rw-r—r-- 2 andrey staff 7245 Jan 17 8:05 second

Во второй колонке листинга указано число жестких связей данного файла. Сразу оговоримся, что жесткая связь является естественной формой связи имени файла с его метаданными и не принадлежит к особому типу файла. Особым типом файла является символическая связь, позволяющая косвенно адресовать файл. В отличие от жесткой связи, символическая связь адресует файл, который, в свою очередь, ссылается на другой файл. В результате, последний файл адресуется символической связью косвенно (рис. 15.5). Данные файла, являющегося символической связью, содержат только имя целевого файла.

Проиллюстрируем эти рассуждения на примере. Команда 1n(1) с ключом -s позволяет создать символическую связь:

$ pwd

/home/andrey

$ ln –s first /home/sergey/symfirst

$ cd /home/sergey

$ ls –l

…

lrwxrwxrwx 1 andrey staff 15 Jan 17 8:05 symfirst->../andrey/first

Как видно из вывода команды ls, файл symfirst (символическая связь) существенно отличается от файла second (жесткая связь). Во-первых, фактическое содержимое файла symfirst отнюдь не то же, что и у файла first или second, об этом говорит размер файла - 15 байт. На самом деле в этом файле хранится не что иное как имя файла, на которое символическая связь ссылается - ../andrei/first - ровно - 15 байт. Во-вторых, файл symfirst не содержит никаких ограничений на доступ (2-10 символы в первой колонке).

Символическая связь является особым типом файла (об этом свидетельствует символ Т в первой позиции вывода ls, и операционная система рабо­тает с таким файлом не так, как с обычным. Например, при выводе на экран содержимого файла symfirst появятся данные файла /home/andrey/first.

Сокеты

Сокеты предназначены для взаимодействия между процессами. Интерфейс сокетов часто используется для доступа к сети TCP/IP. В системах, ветви BSD UNIX на базе сокетов реализована система межпроцессного взаимодействия, с помощью которой работают многие системные сервисы, например, система печати.